Die Zukunft des Klimas liegt vor Grönland

Wissenschaftler in Kiel sind einem Phänomen auf die Spur gekommen, das die Klimaforschung bislang unterschätzt hat: In ihre Modelle beziehen sie kleine Wirbelströmungen in den Ozeanen ein – und kommen damit auf exaktere Prognosen zum Klimawandel.

Erik Behrens schafft in drei Monaten, wofür der Klimawandel ganze Jahrzehnte braucht. "Ich lasse Grönland abschmelzen", antwortet Behrens lapidar auf die Frage nach seinem Forschungsprojekt. Wenn er an seinem Schreibtisch sitzt, versteckt hinter drei Monitoren, deutet nichts auf sein zerstörerisches Vorhaben hin. Per Mausklick startet Erik Behrens das Abtauen der Eismassen auf Grönland – glücklicherweise nur in einer Simulation am Computer.

Sein Forschungsobjekt hat Behrens direkt vor der Tür: Er arbeitet am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, gelegen gleich am Westufer der Kieler Förde. Direkt neben den Laboren schwappt die Brandung der Ostsee heran. Hier in seinem Büro lässt der junge Forscher den Klimawandel im Zeitraffer ablaufen. Dabei ist Erik Behrens einem Phänomen auf die Spur gekommen, das die Ozeanforscher zwar schon lange kennen, bislang aber unterschätzt haben: die Wirbel in den Ozeanen. Sie sind zwischen fünf und 50 Kilometer groß und entstehen als Abspaltungen von starken Strömungen. Was Behrens herausfand: Diese Wirbel haben einen erheblichen Einfluss auf unser Klima.

"Ich erforsche, wie sich das abschmelzende Eis Grönlands auf den Ozean und damit auf unser Klima auswirkt", sagt Erik Behrens. Bisherige Modelle haben ergeben, dass der Golfstrom im Atlantik durch eine starke Eisschmelze auf Grönland zum Erliegen kommen könnte – jener Strom, der für das milde Klima in Mitteleuropa mitverantwortlich ist. Nach diesen Modellen, sagt Behrens, würde durch die Erderwärmung sogar weniger Wärme über die Ozeane zu uns kommen. Der Forscher überlegt kurz und zeigt auf seine Berechnungen: "Aber in dieser Form wird das ohnehin nicht eintreten!" Grund dafür sind die unterschätzten Wirbel im Ozean.

"Die bisherigen Modellrechnungen waren nicht hoch genug aufgelöst", sagt Behrens. "Sie haben die vielen kleinen Wirbel nicht berücksichtigt, die aber eine große Rolle spielen, wie wir herausgefunden haben." Behrens und seine Kollegen vom GEOMAR können noch Wasserwirbel von nur drei Kilometern Durchmesser berechnen, und das in allen Ozeanen auf dem Globus gleichzeitig. Damit erreichen sie eine Genauigkeit wie kaum eine andere Forschungsgruppe auf der Welt.

Die Meeresströmungen sind für die Modelle der Klimaforscher besonders wichtig: Sie beeinflussen nicht nur die Temperatur auf den Kontinenten, sondern auch die Niederschläge und Luftbewegungen. Um eine genaue Vorstellung von der Entwicklung des Klimas zu bekommen, brauchen die Wissenschaftler daher möglichst realistische Ozeanmodelle. Und je höher die räumliche Auflösung dieser Modelle ist, je kleinere Wasserbewegungen errechenbar sind, desto genauer lässt sich auch das Klima vorhersagen.

Für Europa spielt der Golfstrom eine bedeutende Rolle. Er bringt warmes Wasser aus den Tropen mit und sorgt so für ein mildes Klima. Gefüttert wird der Golfstrom allerdings aus dem kalten Meer um Grönland: Wenn sich im Winter das salzreiche Wasser abkühlt, wird es schwerer, sinkt zu Boden und fließt als Tiefenströmung in den Südatlantik und noch weiter. Durch das Vermischen mit anderen Strömungen steigt das Wasser wieder auf, erwärmt sich und fließt – unter anderem vom Wind getrieben – als Golfstrom nordwärts.

Wie ändert sich das aber, wenn auf Grönland infolge der Erderwärmung immer mehr Eis schmilzt? "Große Mengen Frischwasser gelangen so ins umliegende Meer und senken den Salzgehalt", erläutert Erik Behrens. "Bisher gingen die Wissenschaftler davon aus, dass das Wasser um Grönland dadurch weniger salzig, also leichter werden würde. Das wiederum würde die Wassermenge reduzieren, die im Winter absinkt." Demnach könnte die Umwälzbewegung im Atlantik abreißen – und damit auch der Wärmetransport aus den Tropen.

Genau an der Stelle setzen die hochaufgelösten Simulationen von Erik Behrens an. Wenn er eine neue Berechnung startet, sind alle Ozeane noch ganz still. Er füttert nur Daten über die Atmosphäre ein. "So kann sich der Ozean frei entfalten", sagt Behrens. Die Atmosphärendaten reichen lückenlos etwa 60 Jahre zurück und treiben das Ozeanmodell an. Wie präzise die virtuelle Simulation funktioniert, zeigt sich beim Vergleich mit den tatsächlichen Ozeanbewegungen: "Wir können unsere Modelle kontrollieren, indem wir sie mit Beobachtungen im Ozean vergleichen", sagt Behrens.

Es sind immense Datenmengen, die bei diesen Modellrechnungen verarbeitet werden müssen. Behrens nutzt dafür externe Hochleistungsrechner – und selbst mit ihnen dauert eine einzige Modellrechnung bei höchster Auflösung drei Monate. Erik Behrens lässt stets globale Ozeanmodelle berechnen, auch wenn er sich im Rahmen seiner Doktorarbeit nur für den Atlantik interessiert. "Es ist ja alles miteinander verbunden", erklärt er, "und so müssen wir keine Randbedingungen abschätzen und vorgeben." Täglich loggt sich Behrens auf dem gemieteten Supercomputer ein und kontrolliert den Verlauf seiner Berechnung. Stellt er fest, dass ein Detail geändert werden muss, bricht er alles ab und muss von vorn anfangen.

Zehn dieser Anläufe brauchte er allein für das Abschmelzen von Grönlands Eismassen, zusätzlich unzählige Testrechnungen im Vorfeld. Die Schmelzrate, die Behrens in sein Modell eingespeist hat, beruht auf aktuellen Satellitendaten. Am Ende steht nun ein extrem genaues Modell – und ein überraschendes Ergebnis: Zahlreiche kleine Wirbel verteilen das ins Meer eingetragene Frischwasser derart schnell und gleichmäßig, dass die Umwälzung des Ozeans in den kommenden 30 Jahren kaum verringert werden würde. "Laut der Modellrechnungen wird es also kein Weltuntergangsszenario geben wie in manchen Hollywood-Filmen", kommentiert Erik Behrens sein Ergebnis. Der entscheidende Unterschied zu früheren Prognosen seien eben die kleinen Wirbel, die man bisher einfach unterschätzt habe.

Dass die Ozeanwirbel auch für Vorhersagen abseits des Klimas wichtig sind, hat Erik Behrens im vergangenen Jahr bewiesen: Da modellierte er, wie sich das radioaktiv verseuchte Wasser ausbreiten wird, das nach der Reaktorkatastrophe von Fukushima im Jahr 2011 in den Pazifik gelangt ist. Auch dabei betreiben die vielen kleinen Wirbel Schadensbegrenzung und verteilen das radioaktive Wasser schnell und großflächig. Wenn das verseuchte Wasser in einigen Jahren die amerikanische Küste erreicht, wird die Strahlenbelastung vergleichbar mit der in der Ostsee sein, wo sich auch heute noch das Reaktorunglück von Tschernobyl vor 27 Jahren auswirkt. Also alles nur halb so schlimm mit Fukushima? Erik Behrens überlegt kurz. "Die Wirbel verteilen die Radioaktivität ja nur, das heißt, sie ist immer noch da", sagt er.

Mit der Eisschmelze auf Grönland ist es ganz ähnlich. "Die Umwälzbewegung im Atlantik bleibt uns zwar erhalten, aber das Abschmelzen bringt natürlich starke regionale Veränderungen mit sich." Der abnehmende Salzgehalt wirkt sich auf die Tiere und Pflanzen im Meer und in der Uferregion aus. Für viele Arten bedeutet das entweder Anpassung oder Verdrängung – in jedem Fall aber ändert sich das Ökosystem im Meer. Außerdem steigt der Meeresspiegel. "Wenn alles normal läuft, werden das in manchen Regionen bis zu sechs Zentimeter in 30 Jahren sein", sagt Erik Behrens. Das klingt zwar nicht viel, wird aber über die Jahrzehnte betrachtet viele Küstenregionen vor eine Herausforderung stellen.

Dabei helfen die kleinen Ozeanwirbel dann nicht mehr. Aber immerhin erhalten sie uns ein mildes Klima.