mini|Von der NASA erstelltes Bild des Blauen Planeten. 71 % der Erdoberfläche ist mit Ozeanwasser bedeckt. Die Meeresoberfläche ( oder Ocean surface) ist die Grenzfläche zwischen Ozean und Atmosphäre. Sie bedeckt rund 71 % der Erdoberfläche, das sind etwa 361 Millionen km². Die Meeresoberfläche zählt zu den physikalisch und chemisch aktivsten Bereichen der Erde: Praktisch der gesamte Austausch von Wärme, Impuls und Stoffen zwischen Meer und Luft findet hier statt.Lynne D. Talley, George L. Pickard, William J. Emery, James H. Swift: Descriptive Physical Oceanography: An Introduction. 6. Auflage. Academic Press, Amsterdam/Boston 2011. ISBN 978-0-7506-4552-2Anja Engel, Hermann W. Bange, Michael Cunliffe u. a.: The Ocean’s Vital Skin: Toward an Integrated Understanding of the Sea Surface Microlayer. In: Frontiers in Marine Science. Band 4 (2017), Artikel 165. doi:10.3389/fmars.2017.00165.
Gestalt und Höhe
mini|Gemessene Abweichungen des Schwerefelds der Erde vom Rotationsellipsoid Entgegen der Alltagsvorstellung ist die Meeresoberfläche keine ebene Fläche. Sie folgt näherungsweise dem Geoid, der Äquipotentialfläche des Schwerefeldes der Erde. Schwerefeldanomalien durch unterseeische Gebirge, Gräben und Tiefseeberge (Seamounts) führen zu regionalen Absenkungen oder Aufwölbungen der Wasseroberfläche im Meterbereich, was mittels Satellitenaltimetrie präzise kartiert werden kann.Lee-Leung Fu, Anny Cazenave (Hrsg.): Satellite altimetry and earth sciences: A handbook of techniques and applications. Academic Press. 2001. ISBN 978-0-12-269545-2. Weitere Ursachen für Abweichungen sind Strömungen, Windschub, Luftdruckunterschiede und Gezeiten. Das Geoid selbst weicht wiederum um bis zu etwa ±100 m vom Referenzellipsoid ab.Carl Wunsch, Detlef Stammer: Satellite altimetry, the marine geoid, and the oceanic general circulation. In: Annual Review of Earth and Planetary Sciences. Band 26 (1998), S. 219–253. doi:10.1146/annurev.earth.26.1.219. Vermessen wird die Höhe der Meeresoberfläche (, SSH) großflächig mit Satellitenaltimetrie; diese Messungen liefern wichtige Informationen über die Ozeanzirkulation. Ihr zeitlicher Mittelwert ist der Meeresspiegel, der als vertikale Bezugsfläche dient.
Physikalische Eigenschaften
Die Meeresoberfläche ist gekennzeichnet durch ihre Oberflächenspannung, die durch die Kohäsionskräfte zwischen den Wassermolekülen entsteht. Diese Spannung ermöglicht die Bildung von Kapillarwellen, die den großskaligeren Windwellen vorausgehen und als Initialstadium der Wellenentstehung fungieren.Edgar L. Andreas: Sea spray and the turbulent air-sea heat fluxes. In: Journal of Geophysical Research: Oceans, Band 97, 1992, Ausgabe C7, S. 11429–11441. doi:10.1029/92JC00876.
Die wichtigsten an der Oberfläche erfassten Größen sind die Meeresoberflächentemperatur (, SST) und der Oberflächensalzgehalt (, SSS). Die SST ist eine zentrale Klimavariable. Sie variiert zonal von unter −1,8 °C im Polarmeer bis über 30 °C in den äquatorialen Wärmepools (Western Pacific Warm Pool). Sie wird sowohl in situ als auch mit Satellitenradiometrie bestimmt. Dabei sind die obersten etwa 100 µm durch Wärme- und Strahlungsabgabe meist geringfügig kühler als das Wasser direkt darunter – ein Effekt, der als „Kühlhaut“ bezeichnet wird. Die vertikale Temperaturschichtung führt unterhalb der Oberfläche zur Ausbildung einer ausgeprägten Thermokline.C. W. Fairall, E. F. Bradley, J. S. Godfrey, G. A. Wick, J. B. Edson, G. S. Young: Cool-skin and warm-layer effects in sea surface temperature. In: Journal of Geophysical Research: Oceans, Band 101, Ausgabe C1, 1996, S. 1295–1308. doi:10.1029/95JC03190.
Die Oberflächensalinität (SSS) wird maßgeblich durch das globale Verhältnis von Evaporation (Verdunstung) zu Niederschlag bestimmt. Maximumwerte von über 37 PSU finden sich in den subtropischen Ozeanwirbeln (Subtropical Gyres), während die SSS an Flussmündungen und in der Nähe schmelzenden Polarmeereises auf unter 30 PSU absinkt.Bulusu Subrahmanyam, V.S.N. Murty, David M. Heffner: Sea surface salinity variability in the Indian Ocean. In: Remote Sensing of Environment, Band 116, 2012, Ausgabe 3, S. 172–188. doi:10.1016/j.rse.2010.12.004.
Oberflächentemperatur und -salzgehalt bestimmen gemeinsam die Dichte des Oberflächenwassers und damit, bis in welche Tiefe eine Wassermasse absinken kann. Dieser Zusammenhang steuert die thermohaline Zirkulation.
Oberflächenmikroschicht
mini|Mikroschicht der Meeresoberfläche als biochemischer Mikroreaktor. [I] Chemische Ausrichtung, Reaktion und Aggregation, [II] Spezifische mikrobielle Gemeinschaften, die gelöste und partikuläre organische Substanz umsetzen, [III] Höchste Sonneneinstrahlung treibt photochemische Reaktionen und die Bildung von Radikalen an. Die oberste, nur etwa 1 bis 1000 µm dünne Schicht der Meeresoberfläche bildet die Oberflächenmikroschicht (, SML). Ihre physikochemischen und biologischen Eigenschaften unterscheiden sich messbar von denen des darunterliegenden Wassers. Sie besteht aus einem chemisch und biologisch einzigartigen Film aus organischen Molekülen (Polysaccharide, Lipide, Proteine), der Verdunstung, Windaustausch und Tropfenbildung maßgeblich beeinflusst.Oliver Wurl, Lisa Miller, Rüdiger Röttgers, Svein Vagle: Production and fate of surfactant-like substances in the sea-surface microlayer. In: Biogeosciences, Band 8, 2009, Ausgabe 1–2, S. 133–144. doi:10.1016/j.marchem.2009.04.007. Sie verhält sich wie ein Biofilm mit einer eigenen Lebensgemeinschaft, dem Neuston.Michael Cunliffe, Anja Engel, Sanja Frka u. a.: Sea surface microlayers: a unified physicochemical and biological perspective of the air–ocean interface. In: Progress in Oceanography. Band 109 (2013), S. 104–116. doi:10.1016/j.pocean.2012.08.004. Da der gesamte Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre durch sie hindurch erfolgt, ist die Mikroschicht für zahlreiche biogeochemische und klimarelevante Prozesse bedeutsam, etwa die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid, die Bildung von Aerosolen und Rückkopplungen auf Wolkenbildung und Strahlungshaushalt.
Bedeutung für den Stoff- und Gasaustausch
mini|Transportvorgänge durch die Meeresoberflächenschicht Über die Meeresoberfläche tauschen Ozean und Atmosphäre Wärme aus – durch Strahlung sowie fühlbare und latente Wärmeflüsse –, außerdem Impulse (über die Windschubspannung, die Wellen und windgetriebene Strömungen antreibt) sowie Gase und Süßwasser. Der Ozean nimmt dabei einen erheblichen Teil des vom Menschen freigesetzten Kohlenstoffdioxids auf. Der Austausch von Süßwasser durch Verdunstung und Niederschlag steuert den Oberflächensalzgehalt, und die Impulsübertragung durch den Wind erzeugt Schwere- und Kapillarwellen.
Der durch Wind erzeugte Wellengang erhöht die Oberflächenturbulenz und bildet so eine 20–60 m (zum Teil bis 200 m) dicke Deckschicht, die durchmischt ist. Dieser als mixed layer bezeichnete Bereich ist entscheidend für den vertikalen Transport von Wärme, Nährstoffen und gelösten Gasen. Die Tiefe dieser Durchmischungsschicht variiert saisonal und regional erheblich und unterliegt sowohl täglichen als auch jahreszeitlichen Zyklen.S. A. Thorpe: Langmuir Circulation. In: Annual Review of Fluid Mechanics, Band 36, 2004, S. 55–79. doi:10.1146/annurev.fluid.36.052203.071431.
Ökologische Bedeutung
Die Meeresoberfläche und die lichtdurchflutete pelagische Zone bilden die Lebensgrundlage des gesamten marinen Nahrungsnetzes. In den obersten Metern steht ausreichend Sonnenlicht für die Photosynthese zur Verfügung. Phytoplankton (z. B. Diatomeen, Coccolithophoriden, Prochlorococcus) produziert an der Meeresoberfläche schätzungsweise 50 % des globalen molekularen Sauerstoffs.Christopher B. Field, Michael J. Behrenfeld, James T. Randerson, Paul Falkowski: Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components. In: Science, Band 281, 1998, Ausgab 5374, S. 237–240. doi:10.1126/science.281.5374.237.
Das Neuston, die Lebensgemeinschaft des Biofilms, umfasst sowohl winzige Mikroorganismen (wie Bakterien und Algen) als auch größere Tiere (wie Insekten). Zum Pleuston gehören an oder auf der Wasseroberfläche treibende größere Lebewesen (wie die Portugiesische Galeere (Physalia physalis), Segelquallen (Velella velella) oder der Wasserläufer (Gerromorpha)); sie alle haben spezialisierte Morphologien entwickelt, um auf oder direkt unter der Oberflächenspannung zu leben.Lijing Cheng, John Abraham, Zeke Hausfather, Kevin E. Trenberth: How fast are the oceans warming?. In: Science, Band 363, Ausgabr 6423, 2019, S. 128–129. doi:10.1126/science.aav7619.
Küstennahes oder äquatoriales Auftriebswasser (Upwelling) bringt nährstoffreiches Tiefenwasser an die Oberfläche, was zu extremen Biomassekonzentrationen und den produktivsten Fischereigebieten der Welt führt.D. Pauly, V. Christensen: Primary production required to sustain global fisheries. In: Nature, Band 374, 1995, Ausgabe 6519, S. 255–257. doi:10.1038/374255a0.
Forschungsmethoden
mini|Probenahme der Mikroschicht der Meeresoberfläche mittels Glasplatte Die Erforschung der Meeresoberfläche erfolgt durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Methoden. Für die Probennahme der Oberflächen-Grenzschicht haben sich spezielle Techniken etabliert, darunter das Glasplatten-Verfahren, bei dem eine Glasplatte durch die Oberfläche gezogen wird, und das Schleppnetz-Screen-Verfahren, das das Aufnehmen der obersten Millimeterschicht ermöglicht. Diese Methoden erlauben die detaillierte Untersuchung der einzigartigen biologischen Gemeinschaften und biogeochemischen Prozesse in dieser Grenzschicht.
Ergänzend dazu liefern Satellitenfernerkundung wichtige Daten für Klimamodelle und Wettervorhersagen, während In-situ-Messungen mit Forschungs- und autonomen Schiffen wichtige Validierungsdaten und detaillierte Einblicke in kleinräumige Prozesse liefern. Netzwerke von Schwimmbojen und Verankerungen ermöglichen Langzeitbeobachtungen und die Erfassung saisonaler und interannueller Variabilität.
Aktuelle Forschungsansätze kombinieren zunehmend verschiedene Beobachtungsmethoden mit hochauflösenden numerischen Modellen, um die komplexen Prozesse an der Meeresoberfläche in ihrer gesamten Bandbreite zu erfassen. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei der Rolle der SML im globalen Kohlenstoffkreislauf und ihrem Einfluss auf Klimaprozesse.
Einzelnachweise
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