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Einflussreicher Millimeter Physikalisches Paradox an Meeresoberfläche beeinflusst Wasserkreislauf der Ozeane

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Der ozeanische Wasserkreislauf hat enorme Auswirkungen auf globale Ökosysteme und steht in enger Wechselbeziehung zum Weltklima. In Zeiten des Klimawandels gilt es mehr denn je ihn möglichst genau zu verstehen. Ausgerechnet eine weniger als einen Millimeter dünne Wasserschicht auf der Meeresoberfläche scheint dabei eine entscheidende Rolle zu spielen – und: sie ist ein physikalisches Paradox, wie internationale Forscher nun nachgewiesen haben.

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Auf einer Forschungsreise mit dem US-amerikanischen Forschungsschiff FALKOR im Herbst 2016 setzen die Forscher den Sea Surface Scanner ein.
Auf einer Forschungsreise mit dem US-amerikanischen Forschungsschiff FALKOR im Herbst 2016 setzen die Forscher den Sea Surface Scanner ein.
(Bild: Oliver Wurl / ICBM, Universität Oldenburg)

Oldenburg – Die obersten Meter der Ozeane spielen eine bedeutende Rolle für den Austausch von Wärme oder Gasen, etwa Kohlendioxid, zwischen Wasser und Atmosphäre – und damit im globalen Klimageschehen. Unter ruhigen Wetterbedingungen bildet sich an der Grenze zwischen Luft und Meeresoberfläche ein weniger als einen Millimeter dünner Film, der diesen Austausch entscheidend beeinflusst. Temperatur und Salzgehalt regulieren die Dichte dieses Oberflächenfilms – und damit seinen Fortbestand.

Unter bestimmten Wetterbedingungen ist die dünne Grenzschicht auf der Meeresoberfläche demnach vorübergehend salziger und damit schwerer als das darunterliegende Wasser. Trotzdem schwimmt sie obenauf. Diesem überraschenden physikalischen Phänomen ist ein internationales Team um den Oldenburger Meereschemiker Dr. Oliver Wurl auf der Spur In der oberen Wasserschicht direkt vom Forschungsschiff aus zu messen, ist jedoch schwierig. Denn Rumpf und Antrieb des Schiffs durchmischen die Schicht stark.

Hauchdünner Film schwimmt trotz höherer Dichte auf Meeresoberfläche

Während einer Expedition mit dem US-amerikanischen Forschungsschiff FALKOR im Herbst 2016 in der Timorsee nördlich von Australien und im westlichen Pazifik setzten Wissenschaftler daher ein selbst entwickeltes Gerät ein: Der ferngesteuerte Katamaran ermöglichte es dem Team des Instituts für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg, der Florida State University und der Columbia University (USA), kontinuierlich Wasserproben aus dem Film und aus einem Meter Wassertiefe zu erhalten sowie Temperatur und Salzgehalt zu bestimmen. Unter anderem mit Hilfe von Wetterdaten errechneten sie zudem, wie viel und wie schnell Wasser an der Meeresoberfläche verdunstet.

Tatsächlich fanden die Forscher in einem großen Teil des Untersuchungsgebiets einen Oberflächenfilm, der salziger und etwas kühler war als das Wasser in einem Meter Tiefe. Und: Der dichte Film trieb bei ruhigem Wetter bis zu einer gewissen Schwelle auf dem weniger dichten Wasser direkt darunter.

Um Proben von dem Oberflächenfilm des Meeres zu erhalten, haben Wissenschaftler der Universität Oldenburg ein eigenes Gerät entwickelt - den Sea Surface Scanner.
Um Proben von dem Oberflächenfilm des Meeres zu erhalten, haben Wissenschaftler der Universität Oldenburg ein eigenes Gerät entwickelt - den Sea Surface Scanner.
(Bild: ICBM)

Wie lässt sich dieses physikalische Paradox erklären?

Dieses physikalische Paradox erklären sich die Forscher so: „Vermutlich wirkt die Grenzflächenspannung zwischen Film und darunterliegendem Wasser bis zu einem gewissen Dichteunterschied als Gegenkraft, so dass der dichtere Film bis zu einigen Minuten stabil bleibt“, sagt Wurl, dessen Arbeiten vom Europäischen Forschungsrat (ERC) gefördert wurden. Was die Wissenschaftler außerdem verwunderte: Auch bei tropischen Regenstürmen war die Oberflächenschicht salziger als die darunterliegende – obwohl Süßwasser durch Regen auf die Meeresoberfläche gelangte. Die Wissenschaftler führen dies auf den starken Wind zurück, der das Wasser aufwühlte und salzigeres Wasser aus tieferen Schichten nach oben beförderte.

Forschen an Land und auf hoher See: Das ICBM erforscht die Nordsee, das Wattenmeer und Gewässer weltweit. Erfahren sie mehr über die Labore, Schiffe und Expeditionen ((c) ICBM / Carl von Ossietzky Universiät Olednburg):

„Die Prozesse im Oberflächenfilm sind komplex“, betont Meereschemiker Wurl. „Um den ozeanischen Wasserkreislauf, auch angesichts des Klimawandels, besser zu beschreiben, müssen wir genau verstehen, wo das über Regenfälle ins Meer gelangende Wasser bleibt.“ Immerhin spielen sich 80 Prozent der Niederschläge und Verdunstung über den Ozeanen ab. Nach Ansicht der Forscher ist es daher nötig, in größerem Umfang autonome Forschungstechnik einzusetzen – wie beispielsweise Driftbojen oder den von Wurl eingesetzten Katamaran.

Originalpublikation: O. Wurl, W. M. Landing; N. I. Hamizah Mustaffa; M. Ribas‐Ribas; C. Riggs Witte; C. J. Zappa (2018) T. Journal of Geophysical Research – Oceans, Early View.

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