Teleconnections: Wie hängt der Golfstrom mit dem Agulhasstrom zusammen?

Der Verlauf des Golfstroms unterliegt natürlichen Schwankungen. Was ist der Antrieb dieser Variabilität, die im Maßstab mehrerer Jahrzehnte abläuft? Ein Autorenteam bestehend aus Sanchez-Franks & Zhang konnte diese Frage im November 2015 in den Geophysical Research Letters beantworten: Es sind die Atlantischen Ozeanzyklen:

Impact of the Atlantic meridional overturning circulation on the decadal variability of the Gulf Stream path and regional chlorophyll and nutrient concentrations
In this study, we show that the underlying physical driver for the decadal variability in the Gulf Stream (GS) path and the regional biogeochemical cycling is linked to the low frequency variability in the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC). There is a significant anticorrelation between AMOC variations and the meridional shifts of the GS path at decadal time scale in both observations and two Earth system models (ESMs). The chlorophyll and nutrient concentrations in the GS region are found significantly correlated with the AMOC fingerprint and anticorrelated with the GS path at decadal time scale through coherent isopycnal changes in the GS front in the ESMs. Our results illustrate how changes in the large-scale ocean circulation, such as AMOC, are teleconnected with regional decadal physical and biogeochemical variations near the North American east coast. Such linkages are useful for predicting future physical and biogeochemical variations in this region.

Einige Monate zuvor, im Juni 2015, hatte bereits eine Forschergruppe der Universität Bremen um Achim Roessler im Journal of Geophysical Research einen Bezug zwischen Atlantischen Strömungen und der Nordtatlantischen Oszillation (NAO) dokumentiert. Einen statistisch signifikanten Langzeittrend fanden die Bremer nicht. Abstract:

Long-term observations of North Atlantic Current transport at the gateway between western and eastern Atlantic
We exploit the correlation between the NAC transport measured between 2006 and 2010 and the geostrophic velocity from altimeter data to extend the time series of NAC transports to the period from 1992 to 2013. The mean NAC transport over the entire 21 years is 27 ± 5 Sv, consisting of 60% warm water of subtropical origin and 40% subpolar water. We did not find a significant trend in the total transport time series, but individual segments had opposing trends, leading to a more focused NAC in the central subsection and decreasing transports in the southern and northern segments. The spectral analysis exhibits several significant peaks. The two most prominent are around 120 days, identified as the time scale of meanders and eddies, and at 4–9 years, most likely related to the NAO. Transport composites for the years of highest and lowest NAO indices showed a significantly higher transport (+2.9 Sv) during strong NAO years, mainly in the southern segment.

Eine wichtige Regel beim Klima ist es, nicht auf Kurzzeittrends hereinzufallen. Das ist so ähnlich wie beim Tagesgang. Wenn es abends dämmert, gibt es einen stark negativen Trend im Sonnenlicht. Es wäre nun aber falsch, diesen Trend mehrere Tage oder gar Wochen in die Zukunft zu extrapolieren. Denn eines ist klar: Die Sonne wird am nächsten Tage wieder aufgehen, so wie sie es jeden Tag macht. Es sei denn, man wohnt jenseits des Polarkreises, wo seltsame Dinge passieren…

Im Juli 2016 publizierten Kathryn Kelly und Kollegen in den Geophysical Research Letters zu Golfstrom-Kurzzeittrends. Nach einer Abschwächung folgte eine teilweise Erholung:

Impact of slowdown of Atlantic overturning circulation on heat and freshwater transports.
Recent measurements of the strength of the Atlantic overturning circulation at 26°N show a 1 year drop and partial recovery amid a gradual weakening. To examine the extent and impact of the slowdown on basin wide heat and freshwater transports for 2004–2012, a box model that assimilates hydrographic and satellite observations is used to estimate heat transport and freshwater convergence as residuals of the heat and freshwater budgets. Using an independent transport estimate, convergences are converted to transports, which show a high level of spatial coherence. The similarity between Atlantic heat transport and the Agulhas Leakage suggests that it is the source of the surface heat transport anomalies. The freshwater budget in the North Atlantic is dominated by a decrease in freshwater flux. The increasing salinity during the slowdown supports modeling studies that show that heat, not freshwater, drives trends in the overturning circulation in a warming climate.

Die University of Washington gab dazu im Oktober 2016 eine Pressemitteilung heraus. Darin erläutern die Autoren, dass die ursprünglich in Potsdam und anderswo erdachte Erklärung der langfistigen Golfstromabschwächung nicht richtig sein kann. Der ehemals verantwortlich gehaltene Salzgehalt hat sich nämlich gänzlich anders entwickelt als im Modell angenommen, das dann u.a. den Katastrophenfilm „The Day after tomorrow“ inspiriert hat. Vielmehr fanden die Forscher Gemeinsamkeiten mit dem Agulhas-Strom am Südende Afrikas. Es muss etwas geben, was sowohl Golfstrom als auch Agulhas-Strom beeinflusst. Die von Kelly et al. beobachteten „Teleconnections“ (also Fernkopplungen) könnten z.B. durch solare Schwankungen beeinflusst sein, die bereits in der Vergangenheit Wind- und Meeresströmungsysteme verschoben hat, z.B. während der Mittelalterlichen Wärmeperiode. Siehe z.B. Hahn et al. 2017. Die Pressemitteilung erklärt zudem, dass es sich bei der von einigen Kollegen ausgeschlachteten Abschwächung des Golfstroms um eine Messreihe von wenigen Jahren handelt, hier 2004-2012, lediglich 8 Jahre. Das ist herzlich wenig, wenn man bedenkt, das die Ozeanzyklen wie AMO und NAO auf Zeitskalen von 60 Jahren operieren. Siehe auch unseren Blogartikel „Einkassiert: Umstrittene Rahmstorf-These von langfristiger Abschwächung des Golfstroms ist nun endgültig vom Tisch„.

Hier also die Pressemitteilung der University of Washington zu Kelly et al. 2016:

Atlantic Ocean’s slowdown tied to changes in the Southern Hemisphere

The ocean circulation that is responsible for England’s mild climate appears to be slowing down. The shift is not sudden or dramatic, as in the 2004 sci-fi movie “The Day After Tomorrow,” but it is a real effect that has consequences for the climates of eastern North America and Western Europe. Also unlike in that movie, and in theories of long-term climate change, these recent trends are not connected with the melting of the Arctic sea ice and buildup of freshwater near the North Pole. Instead, they seem to be connected to shifts at the southern end of the planet, according to a recent University of Washington study in the journal Geophysical Research Letters.

“It doesn’t work like in the movie, of course,” said Kathryn Kelly, an oceanographer at the UW’s Applied Physics Laboratory. “The slowdown is actually happening very gradually, but it seems to be happening like predicted: It does seem to be spinning down.” The study looked at data from satellites and ocean sensors off Miami that have tracked what’s known as the Atlantic overturning circulation for more than a decade. Together they show a definite slowdown since 2004, confirming a trend suspected before then from spottier data. Looking at other observations to determine the cause, the researchers ruled out what had been the prime suspect until now: that massive melting and freshening in the North Atlantic could stop water from sinking and put the brakes on the overturning circulation, which moves warmer water north along the ocean’s surface and sends cold water southward at depths.

“It appears that this 10-year slowdown is not related to salinity,” Kelly said. In fact, despite more ice melt, surface water in the Arctic is getting saltier and therefore denser, she said, because of less precipitation. “That means the slowdown could not possibly be due to salinity — it’s just backwards. The North Atlantic has actually been getting saltier.” Instead, the authors saw a surprising connection with a current around the southern tip of South Africa. In what’s known as the Agulhas Current, warm Indian Ocean water flows south along the African coast and around the continent’s tip toward the Atlantic, but then makes a sharp turn back to join the stormy southern circumpolar current. Warm water that escapes into the Atlantic around the cape of South Africa is known as the Agulhas Leakage. The new research shows the amount of leakage changes with the quantity of heat transported northward by the overturning circulation. “We’ve found that the two are connected, but I don’t think we’ve found that one causes the other,” Kelly said. “It’s more likely that whatever changed the Agulhas changed the whole system.” She believes atmospheric changes may be affecting both currents simultaneously. “Most people have thought this current should be driven by a salinity change, but maybe it’s the [Southern Ocean] winds,” Kelly said.

The finding could have implications for northern European and eastern U.S. climates, and for understanding how the world’s oceans carry heat from the tropics toward the poles. “I think it changes how we think about the whole Atlantic overturning circulation, of which the Gulf Stream is a part,” said co-author LuAnne Thompson, a UW professor of oceanography. “It brings back the role of the atmosphere into what’s controlling the climate in the high latitudes, that it’s not all driven by what’s happening in the oceans.” And while a slowdown of the Gulf Stream and broader overturning circulation, for whatever reason, would bring less warm water to eastern North America and Western Europe, any effects are overwhelmed by the overall warming due to global climate change. “So that whole concept in the movie of New York harbor freezing doesn’t make any sense,” Kelly said. “If the Gulf Stream doesn’t carry as much heat from the tropics, it just means that the North Atlantic is not going to warm up as fast as the rest of the ocean — it’s not going to cool down.”

Der Golfstrom unterlag eigentlich schon immer Schwankungen in unterschiedlichen Zeitmaßstäben. Die Universität Heidelberg berichtete bereits 2012 über Änderungen während der letzten Eiszeit:

Klimawandel: Die Vergangenheit der Atlantischen Wärmepumpe

Die Zirkulation des Atlantischen Ozeans war während der letzten Eiszeit schneller als heute

Der Wärmetransport im Atlantischen Ozean war während der letzten Eiszeit nicht etwa schwächer, wie lange Zeit angenommen, sondern tatsächlich stärker als heutzutage. Das hat ein internationales Forscherteam unter Leitung von Umweltphysikern der Universität Heidelberg herausgefunden. Die Wissenschaftler haben mit Hilfe hochpräziser Messungen von natürlichen Radionukliden in Meeressedimenten die Zirkulationsstärke des Ozeans untersucht und dabei neue Erkenntnisse zur Vergangenheit der „Atlantischen Wärmepumpe“ gewonnen. Die Forschungsergebnisse, die auch für korrekte Vorhersagen künftiger Klimamodelle von Bedeutung sind, wurden in der Zeitschrift „Nature Geoscience“ veröffentlicht.

„Dank des Golfstroms und seiner nördlichen Ausläufer ist es hierzulande weit wärmer als auf denselben Breitengraden in Nordamerika. Ohne den Wärmetransport des Meeres mit einer vergleichbaren Leistung von einer Million Großkraftwerken würden in Nord- und Westeuropa deutlich kühlere Temperaturen herrschen“, erläutert Dr. Jörg Lippold vom Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg, der Erstautor der Studie ist. Die „Fernheizung Europas“ entspringt im Golf von Mexiko, wo sich das Meer aufheizt und dann gelenkt durch Winde und die Erddrehung warmes Wasser nach Nord-Ost strömen lässt. Dabei kühlt das Oberflächenwasser ab, wird dadurch immer dichter und sinkt im Nordatlantik, um schließlich in der Tiefe wieder zurück nach Süden zu fließen.

„Diesen Rückfluss konnten wir nun mithilfe zweier exotischer Vertreter des Periodensystems aus Bohrproben im Tiefseesediment des Atlantiks erstmals quantitativ bestimmen“, so der Heidelberger Wissenschaftler. Die beiden untersuchten Isotope – dies sind 231-Protactinium und 230-Thorium – entstehen aus dem radioaktiven Zerfall des im Meerwasser natürlich vorkommenden Urans. Während Thorium ohne Umwege ins Sediment am Meeresboden eingelagert wird, folgt das Protactinium der Zirkulation und wird mit der Strömung der Tiefsee aus dem Nordatlantik befördert. Das Mengenverhältnis der beiden Stoffe im Sediment spiegelt daher die Strömungsstärke wider. Um die Zeit der größten globalen Eisbedeckung vor rund 20.000 Jahren wurde im Verhältnis weniger 231-Protactinium gemessen. Wie Dr. Lippold erläutert, kann dies, unterstützt durch Modellrechnungen, als eine Verstärkung der Atlantischen Zirkulation gedeutet werden.

Für Modelle, mit denen die Zukunft des globalen Klimas berechnet werden soll, spielt die Erkenntnis, dass in der Eiszeit der Atlantik schneller zirkulierte, eine wichtige Rolle. Die Korrektheit der Vorhersagen von Klimamodellen wird nicht zuletzt daran gemessen, ob sie das Klima der Vergangenheit richtig wiedergeben können. „Ein entscheidender Faktor im Klimasystem der Erde sind die Ozeane. Im Meerwasser der Erde ist ungefähr 50mal mehr CO2 gebunden als in der Atmosphäre, und es besitzt deren 1.000fache Wärmespeicherkapazität“, sagt Dr. Lippold. „Wenn der Ozean damals schneller zirkulierte, konnte er auch mehr CO2 aufnehmen und der Atmosphäre entziehen.“

Das Verstehen dieser Zusammenhänge hat für weite Teile Europas eine besondere Bedeutung: „Sollte sich im Zuge des Klimawandels das Meer erwärmen und sich durch Schmelzwasser oder vermehrte Niederschläge die Dichte des Wassers im Nordatlantik verringern, könnte die Wärmepumpe ins Stocken geraten. Das würde paradoxerweise in Europa zu einer Abkühlung führen, während sich der übrige Globus aufheizt“, sagt der Heidelberger Umweltphysiker.

Grundlage für die groß angelegte Studie des internationalen Forscherteams waren Messungen an Massenspektrometern und Teilchenbeschleunigern, mit denen die erforderlichen Konzentrationsmessungen im Bereich von nur wenigen Picogramm durchgeführt werden konnten. An der Untersuchung unter Leitung von Dr. Jörg Lippold waren Wissenschaftler aus Vancouver, Paris, Oxford, Zürich, Lyon, Bristol und Tübingen beteiligt. Von deutscher Seite wurde das Projekt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützt. Informationen im Internet sind unter zu finden.

Jörg Lippold, Yiming Luo, Roger Francois, Susan E. Allen, Jeanne Gherardi, Sylvain Pichat, Ben Hickey, Hartmut Schulz: Strength and geometry of the glacial Atlantic Meridional Overturning Circulation. Nature Geoscience (14. Oktober 2012), doi 10.1038/ngeo1608

Angesichts der Tatsache, dass die Fachwelt deutlich Abstand vom Konzept einer langfristigen Golfstromabschwächung genommen hat, müssen neue Golfstrom-Schreckgespenster her. Phrampus & Hornbach versuchten sich 2012 mit einem Gashydrat-Kollaps, den der Deutschlandfunk damals sogleich ausschlachtete.  Heute, 5 Jahre Forschung später, sieht man den Sachverhalt deutlich nüchterner: