Das Meer

Urkontinent Pangäa, den das Urmeer. Panthalassa umgab. Im Laufe der Jahr- millionen fiel der Superkontinent wie- der auseinander. So trennten sich in.
4MB Größe 9 Downloads 283 Ansichten
Petra Demmler

Inhalt Vorwort 5 Einführung 7

Das Meer: Seine Phänomene sind geheimnisvoll und faszinierend. Hier werden sie erklärt: Wie entstehen Meeresströmungen, Monster- und Gezeitenwellen, Sturmfluten und Tsunamis? Wie wird Meereis gebildet im Unterschied zu Eisbergen? Wie beeinflussen Ozeane und Atmosphäre sich gegenseitig? Und welche Bedeutung haben die Meere für den Klimawandel? Diese und viele andere Fragen rund um die Ozeane unserer Erde werden umfassend und leicht verständlich erklärt. Über 150 anschauliche Zeichnungen und eindrucksvolle Fotos illustrieren den Text. Ein Muss für jeden, den das Meer in seinen Bann zieht.

Das Meer

Dr. Petra Demmler studierte in München an der LudwigMaximilians-Universität Physische Geographie und wurde dort an der Fakultät für Geowissenschaften promoviert. Ihr Wissen über die Meere, das Eis und deren Erforschung vertiefte sie auf mehreren Expeditionen mit den Forschungsschiffen Polarstern und Meteor. Diese Reisen führten sie bis in die subpolaren Gewässer des Nordatlantiks und in das Eismeer der Antarktis. Sie arbeitet als freie Autorin und Fotografin und leitet ein eigenes Lektoratsbüro.

Tsunamis, Eisberge, El Niño

Eis auf dem Meer 62 Immer obenauf: Das Eis im Wasser 64 Meereis – eine schwere Geburt 66 Von Meereistypen und ihren Lebenszyklen 70 Die Lebensgeschichte der Eisberge 82 Weiße, blaue, grüne Eisberge 98

Demmler

Die Autorin

Meer 10 Das Meer und seine Eigenschaften 12 Das große System der Meeresströmungen 24 Von sanften Wogen, rauer See, Monster- und Gezeitenwellen 34 Meer auf Landgang – von Sturmfluten und Tsunamis 53

Meer und Atmosphäre 104 Wie der Ozean die Atmosphäre beeinflusst 106 Ozeane und großräumige Luftzirkulation 116 Von Wolken, die das Meer erschuf 127 Was „das Christkind” bringt – El Niño 139

Das Meer Wasser, Eis und Klima

ISBN 978-3-8001-5864-5

Erforschung von Meer und Eis 152 Methoden der Meeresforschung 154 „EM-Bird” – die Eisdicke im Fluge messen 160 Ozeane und Klimawandel 162 Klimawandel in Vergangenheit und Gegenwart 164 Die Ozeane werden wärmer 166 „Land unter” – der Meeresspiegel steigt 170 „Points of no return” – wenn Systeme kippen 174 Ozeane als CO2-Puffer 177 Was können wir tun? 179 Serviceseiten 180

www.ulmer.de 9

783800 158645

Petra Demmler

Das Meer Wasser, Eis und Klima 105 Farbfotos 54 Grafiken

2

Inhalt Vorwort 5 Einführung 7 Meer 10 Das Meer und seine Eigenschaften 12 Das große System der Meeresströmungen 24 Von sanften Wogen, rauer See, Monster- und Gezeitenwellen 34 Meer auf Landgang – von Sturmfluten und Tsunamis 53 Eis auf dem Meer 62 Immer obenauf: Das Eis im Wasser 64 Meereis – eine schwere Geburt 66 Von Meereistypen und ihren Lebenszyklen 70 Die Lebensgeschichte der Eisberge 82 Weiße, blaue, grüne Eisberge 98 Meer und Atmosphäre 104 Wie der Ozean die Atmosphäre beeinflusst 106 Ozeane und großräumige Luftzirkulation 116 Von Wolken, die das Meer erschuf 127 Was „das Christkind“ bringt – El Niño 139

3

Erforschung von Meer und Eis 152 Methoden der Meeresforschung 154 „EM-Bird“ – die Eisdicke im Fluge messen 160 Ozeane und Klimawandel 162 Klimawandel in Vergangenheit und Gegenwart 164 Die Ozeane werden wärmer 166 „Land unter“ – der Meeresspiegel steigt 170 „Points of no return“ – wenn Systeme kippen 174 Ozeane als CO2-Puffer 177 Was können wir tun? 179 Serviceseiten 180 Literatur 182 Bildquellen 183 Dank 184 Register 185

5

Vorwort Das Meer hat die Gemüter der Menschen schon immer zutiefst bewegt. Unendlich scheinen seine Weiten, geheimnisvoll seine Tiefen, wankelmütig sein oberflächliches Naturell. Immer wieder zeigt uns das Meer ein anderes Gesicht. Mal ist es friedlich, wiegt sich im Rhythmus sanfter Wogen und lässt seine Wellen fröhlich am Strand Purzelbäume schlagen. Mal braust es auf zu stürmischer See, versenkt Schiffe in seinen Fluten und überschwemmt bewohntes Land. Viele von uns zieht das Meer magisch an, und ganz egal, ob wir es an der Küste oder auf dem Schiff erleben, die riesigen Wasserwelten schenken uns ein Gefühl von Freiheit, sie geben uns Kraft und lösen uns auf wunderbare Weise von unserem Alltag. Einzigartige Stimmungen, die das Meer zusammen mit der es überwölbenden Atmosphäre zaubert, regen unsere Fantasie an, sie wecken Kreativität, und schon oft waren sie die Quelle großer Gedanken. Unzählige Gedichte sind dem Meer gewidmet, berühmte Maler wie Caspar David Friedrich ließen sich von der bewegten See inspirieren und bannten ihre Faszination auf Leinwand. Was immer das Meer auch tut, es hat eine Wirkung auf uns. Es beruhigt, begeistert, erstaunt, es lehrt uns das Fürchten und fordert zu unserem gro-

ßen Schrecken immer wieder zahlreiche Opfer. Ambivalent mögen sie sein, die Gefühle, die es entfacht – doch stets sind sie stark. Manche Menschen denken, diese Faszination, der Zauber und die Macht über unsere Empfindungen würden durch das moderne Wissen um die Meere geschmälert. Mein Wunsch als Naturwissenschaftlerin und Teilnehmerin an mehreren Forschungsfahrten auf hoher See ist es, Sie vom Gegenteil zu überzeugen. Wissen schärft den Blick für das Detail und lässt uns Phänomene entdecken, denen wir zuvor keine Beachtung geschenkt haben. Aus meiner Sicht gewinnen die Ozeane sogar an Faszination und Respekt, wenn wir mehr über ihre Physik, ihre Entstehung und das immerwährende Wechselspiel der Sphären von Ozean, Eis und Atmosphäre wissen. Und erst dann, wenn wir ihre Bedeutung für uns Menschen und unser Klima wirklich verstanden haben, begreifen wir die Ozeane als etwas ganz besonders Wertvolles und Schützenswertes. Wenn Ihnen das Buch hilft, ein bisschen mehr zu sehen, ein bisschen mehr zu staunen und das Meer noch ein wenig mehr zu achten und zu lieben, dann hat es seinen Zweck erfüllt. Petra Demmler

6 Ozean

Die Ozeane der Erde

Die Ozeane der Erd

Atlantischer Arktischer Ozean Pazifischer Ozean

Arktischer

Ozean

Ozean

Südpolarme

Die Ozeane der Erde er

Indischer

Pazifischer Atlantischer Südpolarme er Ozean

Ozean Arktischer

d Sü

po

Ozean larm eer

d Sü

po

Ozean

larm

eer

Indischer

Die Ozeane der Erde.

Südpolarme

er

Ozean

Pazifischer

Indischer Ozean

ola

er Pazifischer

7

Ozean

rmee r

Einführung

Indischer Ozean

Die Weltmeere sind riesig. Zusammen mit ihren Nebenmeeren bedecken sie rund 70 % der gesamten Oberfläche unseres Planeten, und ihre Tiefen übertreffen die Höhen der Landoberflächen durchschnittlich um mehr als das Fünffache. Unser Heimatgestirn ist also ein Wasserplanet und damit einzigartig in unserem Sonnensystem. Weil ihn gerade diese Eigenschaft von all den anderen Planeten unterscheidet und sie auch der Grund ist, warum Leben entstehen konnte, wäre ein Name wie „Oceanus“, „Aqua“ oder dergleichen eigentlich treffender als „Terra“, die Erde. Doch in der Antike wussten die Menschen noch nichts von der Existenz der Ozeane, und so erhielt unser Planet seinen Namen aufgrund eines Irrglaubens unserer Vorfahren. Die Menschen kannten damals in erster Linie nur das Festland und kleinere Meere wie das Mittelmeer. Den Atlantik hielten sie für einen Wasserlauf, der das Land lediglich flankiert, die Bezeichnung „Erde“ war daher naheliegend. Heute wissen wir, dass fünf mächtige Ozeane unsere Landflächen voneinander trennen: der Pazifische, der Atlantische, der Indische und der Arktische Ozean sowie das Südpolarmeer (Abbildungen links).

Die Weltmeere in der geologischen Vergangenheit

Die Verteilung von Ozeanen und Festländern ist uns so vertraut, dass wir leicht vergessen, wie wenig statisch sie ist und wie sehr sie permanenten Ver-

8 Einführung

Pleistozän Eu

Grönland

rop a

Nordamerika

Tethys At

Pazifis

la

Afrika

nt

is

ch

er

che

a ze rO

Südamerika

Oz

ea

n

n

er

ik

Grönland

a

Europa

rd

am

Kreide Asien

No

Tethys

nt

Afrika en

la

Afrika ch

er

che

Oz

ze rO

Südamerika

ea

n

Indi

At

Pazifis

is

n

änderungen unterliegt. Die großen Platten der Erdkruste sind ständig in Bewegung. Sie schieben sich zusammen, driften auseinander, neue Erdkruste entsteht, alte Erdkruste taucht ab. Diese Verschiebungen betragen nur wenige Zentimeter pro Jahr, sodass wir sie nicht wahrnehmen und geologische Zeiträume vergehen müssen, damit sie auf einer Weltkarte erkennbar werden. Im Zeitalter der Trias vor etwa 250 Millionen Jahren vereinigten sich beispielsweise alle Kontinente zu dem Urkontinent Pangäa, den das Urmeer Panthalassa umgab. Im Laufe der Jahrmillionen fiel der Superkontinent wieder auseinander. So trennten sich in der Kreidezeit Afrika und Südamerika voneinander und leiteten damit die Geburt des Atlantiks ein. Vor 20 Millionen Jahren war die Land-Meer-Verteilung bereits fast so, wie wir sie heute kennen (Abbildungen links).

a

Die Weltmeere heute

Der größte Ozean ist heute der Pazifik, der sogenannte Stille Ozean. Seinem Namen macht er nicht immer und

Trias Laurasia

P

G

a n

Pant

on

dw

g

ha

an

thalassa

Tethys

Pan

Laurasia

a

ä

las

a

sa

Die Erde zur Zeit der Trias vor etwa 250 Mio. Jahren (unten), der Kreide vor etwa 100 Mio. Jahren (Mitte) und des Pleistozäns vor etwa 20 Mio. Jahren (oben).

Kernthemen des Buches 9

überall Ehre, denn allzu oft verkörpert er genau das Gegenteil von Ruhe und Frieden. Er verdankt seine Bezeichnung lediglich dem Umstand, dass bei seiner Erstbesegelung durch Europäer im 16. Jahrhundert auf der Reiseroute gerade Flaute herrschte. Ein stolzes Drittel der Erdoberfläche nimmt er ein, und in ihm verbirgt sich die mit über 11 km weltweit größte Meerestiefe, der Marianengraben. Der zweitgrößte Ozean unserer Erde ist der Atlantik. Sein Name verewigt den Mythos von Atlantis, einer Insel, die dieser Ozean vor 9000 Jahren zur Zeit ihrer kulturellen Hochblüte verschluckt haben soll. Seine Besonderheit ist die große Nord-SüdAusdehnung über alle Klimazonen hinweg. Nur wenig kleiner ist der Indische Ozean, der sich hauptsächlich in den Tropen und Subtropen befindet. Die Schlusslichter beim Größenvergleich bilden der fast vollständig von Land umgebene Arktische Ozean und sein Pendant auf der Südhalbkugel, das lediglich im Süden durch Land begrenzte Südpolarmeer.

Seit einigen Jahren erst wird dieser Meeresbereich der Antarktis als eigenständiger Ozean definiert. Das Südpolarmeer beginnt laut dem im Jahre 2000 geschlossenen Antarktisvertrag südlich des 60. Breitenkreises. Auch die anderen Grenzen zwischen den Ozeanen sind genau festgelegt, doch für die Wissenschaft ist das unbedeutend. Wichtig sind vielmehr die Wassermassen, die mit den Strömungen fortgetragen werden und ein großräumiges ozeanisches Förderband bilden, das unter anderem unser Klima stark beeinflusst.

Kernthemen des Buches

In diesem Buch werden wir uns mit den interessanten Phänomenen unserer Ozeane beschäftigen. Dabei betrachten wir aber nicht nur die Meere an sich, sondern auch das Eis, das auf ihnen schwimmt, und die Atmosphäre, die sich über ihnen wölbt. Im Anschluss folgt ein kleiner Einblick in die ozeanografische und glaziologische Forschung, und auch die Veränderungen und Konsequenzen der derzeitigen Erderwärmung verdienen wegen ihrer Brisanz und Aktualität ein eigenes Kapitel.

Meer Im ersten Kapitel über die Meere wollen wir uns mit den zahlreichen Geheimnissen und Phänomenen dieser mächtigen Wasserkörper beschäftigen. Viele Dinge, die uns staunen lassen, erleben wir, wenn wir Zeit am Strand oder auf einem Schiff verbringen. So machen wir beim Baden immer wieder die unfreiwillige Erfahrung, dass Meerwasser salzig schmeckt. Wenn wir auf den Ozean hinausblicken, sehen wir meist ein kräftiges Blau. Wir erleben die Wellen, die unermüdlich über die See wandern und manchmal gar nicht zu dem Wind passen, der uns um die Nase weht. Und wir beobachten an den Küsten, wie sich das Meer zurückzieht und nach ein paar Stunden wiederkehrt. Doch wissen wir warum? All diese uns so vertrauten Gegebenheiten wollen wir auf den folgenden Seiten unter die Lupe nehmen. Und wir wollen auch Phänomenen unsere Aufmerksamkeit schenken, mit denen wir hoffentlich nie konfrontiert werden, und uns damit befassen, wie es dazu kommen kann, dass sich Monsterwellen aufschaukeln und manche Küsten von Sturmfluten oder Tsunamis heimgesucht werden.

12

Das Meer und seine Eigenschaften Bevor wir uns den dynamischen Prozessen in den Ozeanen widmen, das globale Strömungssystem ansehen und die Vielfalt der Meereswellen kennenlernen, wollen wir uns zunächst einmal mit dem Meerwasser an sich beschäftigen und mit seinen wichtigsten Eigenschaften vertraut machen.

Die Grundsubstanz, das H2O

Die meisten von uns haben es schon einmal gekostet und dabei festgestellt: Meerwasser schmeckt sehr salzig. Auch wenn unser Geschmacksempfinden etwas anderes vermuten lässt, ist es aber so, dass unsere Ozeane zu rund 96,5 % aus reinem Wasser bestehen. Zwei Wasserstoffatome sind jeweils mit einem Sauerstoffatom verbunden und bilden so die Grundsubstanz des Meerwassers, die H2O-Moleküle. Wassermoleküle allein machen Wasser allerdings noch nicht zwingend zu einer Flüssigkeit, denn sie treten in drei verschiedenen Formen auf: gasförmig als Wasserdampf, flüssig als Wasser oder fest als Eis (Abbildung rechts oben). Flüssiges Wasser Dass die H2O-Moleküle flüssiges Wasser bilden können, haben sie einer bestimmten Anordnung ihrer Wasserstoffatome zu verdanken. Die Ladung des Sauerstoffatoms ist zweifach negativ, die Ladungen der Wasserstoffatome sind jeweils einfach positiv. Wenn sich die drei Atome nun in einer Linie aufreihen würden, wäre das Molekül nach außen hin ein neutrales Ge-

Die drei Zustandsformen des Wassers. Das Bild zeigt einen sogenannten Nebelbogen über arktischen Eisschollen.

Das Wassermolekül 105°

H+

H+ Wasserstoffatome

O––

Sauerstoffatom

Das Wassermolekül besitzt zwei positiv geladene Wasserstoffatome und ein negativ geladenes Sauerstoffatom.

Salze und andere Substanzen 13

bilde. Es wäre nicht bindungsfähig. Da die beiden Wasserstoffatome jedoch einen Winkel von ungefähr 105° bilden, haben die H2O-Moleküle eine ungleiche Ladungsverteilung (sie bilden einen sogenannten Dipol) und üben dadurch eine gewisse Anziehung auf die Nachbarmoleküle aus (Abbildung links unten). Weil die Anziehungskräfte nicht besonders stark sind, ist der Zusammenschluss nicht ganz so fest, und genau diese lockeren Wasserstoffbrückenbindungen sind es, die bei Temperaturen zwischen Gefrier- und Siedepunkt sogenannte „Wassercluster“, also flüssiges Wasser bilden. Eis und Wasserdampf Der Gefrierpunkt ist erreicht, wenn die Moleküle bei Temperaturen von 0 °C oder weniger erstarren (wie Eis entsteht, erfahren wir ab Seite 64). Beim Siedepunkt, der bei etwa 100 °C (je nach Luftdruck) liegt, verdunstet das Wasser rasch und vollständig. Bei der Verdunstung lösen sich einzelne Moleküle aus dem Verbund komplett heraus und verteilen sich als durchsichtiges Gas (bzw. Wasserdampf oder Luftfeuchte) in der Atmosphäre. Sie werden – wie es in dem Nebel im Bild links oben der Fall ist – erst dann wieder sichtbar, wenn sie zu Wassertröpfchen kondensieren. Wasser verdunstet natürlich auch bei niedrigeren Temperaturen, genauer gesagt bei allen Temperaturen, die in der Natur möglich sind. Diese Tatsache ist ganz wesentlich für unser Klima, weshalb wir im Kapitel „Meer und Atmosphäre“ darauf zurückkommen werden. Hier genügt uns erst einmal das

Wissen um die Grundbausteine des Meerwassers, und wir wollen uns nun der Frage widmen, was das Wasser der Ozeane eigentlich zum typischen Meerwasser macht. Es sind die fehlenden 3,5 %, die sich zu den 96,5 % reinen Wassers hinzugesellen.

Salze und andere Substanzen

Die Ozeane enthalten ein ganzes Spektrum an unterschiedlichen chemischen und organischen Stoffen, Gasen und anderen Partikeln. Wie ein Geschmackstest verrät, dominieren unter ihnen Salze, und zwar in erster Linie das uns vertraute Speisesalz, das Natriumchlorid in Form von Natrium(Na+) und Chlorid- (Cl–) Ionen. Der Gehalt an anderen Salzionen wie Magnesium (Mg2+), Kalzium (Ca2+) oder Sulfat (SO42–) ist deutlich geringer. Weil das Wasser der Ozeane stets gut durchmischt ist, variiert der Salzgehalt nicht sonderlich stark. Durchschnittlich beträgt er 3,47 % beziehungsweise 34,7 ‰. Addieren wir diesen Betrag zu den 95,5 % reinen Wassers, haben wir die 100 % schon fast zusammen. Die restlichen Beimengungen kommen nur in verschwindend geringen Konzentrationen vor. Unterschätzen darf man sie trotzdem nicht, denn einige von ihnen sind von enormer Bedeutung. So spielen Gase wie Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2) im Ozean eine wichtige Rolle für die Tierund Pflanzenwelt im Meer und außerdem für unser Klima. Wasser als Lösungsmittel Widmen wir uns nun der Frage, warum das Meerwasser die meisten sei-

14 Das Meer und seine Eigenschaften

Salzgehalt der Ozeane Der Salzgehalt im Wasser ist für Meeresforscher eine dimensionslose Größe, das heißt die korrekte Angabe des durchschnittlichen Salzgehalts unserer Ozeane ist 34,7. In der Literatur wird der Salzgehalt oft in Promille ausgedrückt, und so soll es auch in diesem Buch gehandhabt werden, da man als Laie mit dem reinen Wert wenig anfangen kann. Anschaulich ausgedrückt enthält ein Liter Ozeanwasser etwa drei Esslöffel Salz.

Die Salzkonzentration in den Ozeanen ist großräumig gesehen relativ konstant. Größere Abweichungen vom durchschnittlichen Salzgehalt gibt es hauptsächlich in Küstennähe, wo sich das Meerwasser mit dem Wasser größerer Flüsse mischt und sich folglich die Salzkonzentration verringert, oder in sehr heißen Regionen, wo viel Wasser verdunstet und sich die Salzkonzentration deshalb erhöht.

Kochsalzlösung im Wasser

Natriumion

Na+ Cl–

Chloridion

Phase 1

Wassermolekül





+

+ +



+

+

+

+

Cl–

+

+ –

Na+





+

+

+

Cl–

Hydratisiertes Natriumion +

Na+

+

Hydratisiertes Chloridion +



+ +





+ +

Cl–

+ +



+ +





+ Na+



Natriumchlorid (NaCl)

– +

+

+ +

Phase 2

Wird Kochsalz in Wasser gelöst, trennen sich die positiv geladenen Natriumionen und die negativ geladenen Chloridionen voneinander und verbinden sich mit den Wassermolekülen.