mini|Schematische Darstellung der Nährstoff- und Eisen(III)-Zirkulation und der Bildung von Zwischenwasser im Nordpazifik: (A) durch die Beringsee, (B) durch das Ochotskische Meer und (C) horizontale Zirkulation. Regenerierte Nährstoffe und Eisen(III) im Zwischenwasser werden durch turbulente Durchmischung um die Inselketten der Aleuten und der Kurilen vertikal in die Oberflächenschicht transportiert und zirkulieren zwischen Zwischen- und Oberflächenschicht. Diese Nährstoffzirkulation im Zwischenwasser ist mit dem Eisen(III)-Eintrag aus dem Ochotskischen Meer gekoppelt. Anschließend werden Nährstoffe und Eisen(III) durch das Nordpazifische Zwischenwasser (NPIW) ostwärts und in niedrigere Breiten transportiert, was die biologische Produktion an bestimmten Hotspots im Nordpazifik beeinflusst.

Das Nordpazifische Zwischenwasser ( ist eine Wassermasse mittlerer Tiefe im Nordpazifik, die durch ein charakteristisches Salzgehaltsminimum in einer Tiefe von etwa 300 bis 800 Metern definiert ist. Es nimmt einen eng begrenzten Dichtebereich von σ₀ ≈ 26,7–26,9 kg/m³ ein und breitet sich über den gesamten subtropischen Nordpazifik-Wirbel aus.Lynne D. Talley: Distribution and Formation of North Pacific Intermediate Water. In: Journal of Physical Oceanography, Band 23 (1993), Ausgabe 3, S. 517–537. DOI:10.1175/1520-0485(1993)023<0517:DAFONP>2.0.CO;2. Obwohl die NPIW-Bildungsrate mit etwa 2 Sverdrup (Sv) im Vergleich zu den großen Tiefenwassermassen des Atlantiks und des Südlichen Ozeans bescheiden ist, spielt das NPIW eine zentrale Rolle für die Belüftung des intermediären Nordpazifiks, den Transport von Sauerstoff und Nährstoffen und die Aufnahme von anthropogenem CO₂.

Entstehung

Die Bildung des NPIW ist ein mehrstufiger Prozess, der seinen Ursprung im Ochotskischen Meer hat und in der sogenannten Mixed Water Region östlich von Japan seinen Abschluss findet.Lynne D. Talley (1997): North Pacific Intermediate Water Transports in the Mixed Water Region. In: Journal of Physical Oceanography, Band 27, Ausgabe 8, S. 1795–1803. DOI:10.1175/1520-0485(1997)027<1795:NPIWTI>2.0.CO;2.

Im Ochotskischen Meer, dem südlichsten saisonal eisbedeckten Randmeer der Nordhalbkugel, wird im Winter durch Brine Rejection der Meereisbildung auf dem nordwestlichen Kontinentalschelf dichtes Schelfwasser (Dense Shelf Water, DSW) erzeugt. Dieses kalte, relativ salzreiche Wasser sinkt auf intermediäre Tiefen ab und bildet das Ochotskische Zwischenwasser (Okhotsk Sea Intermediate Water, OSIW), das sich durch niedrige Temperaturen, relativ hohen Sauerstoffgehalt und einen erhöhten Gehalt an gelöstem Eisen auszeichnet.Andrey Y. Shcherbina, Lynne D. Talley, L. D. Daniel L. Rudnick (2003): Direct observations of North Pacific ventilation: Brine rejection in the Okhotsk Sea. In: Science. Band 302 (2003), S. 1952–1955. DOI:10.1126/science.1088692.Ichiro Yasuda (2004): North Pacific Intermediate Water: Progress in SAGE (SubArctic Gyre Experiment) and Related Projects. In: Journal of Oceanography. Band 60 (2004), S. 421–424. DOI:10.1023/B:JOCE.0000038344.25081.42. Kräftige Gezeiten in den Kurilenstraßen – insbesondere in der Boussole-Straße – mischen das OSIW weiter durch und transportieren es aus dem Ochotskischen Meer in den offenen Nordpazifik. Das austretende Wasser wird Teil des Oyashio, der kalten westlichen Randströmung des subpolaren Nordpazifikwirbels.

Das eigentliche NPIW-Salzgehaltsminimum entsteht dann in der Mixed Water Region zwischen der Oyashio-Front und der Kuroshio-Erweiterung östlich von Japan. Hier trifft das frische, sauerstoffreiche Wasser des Oyashio auf das wärmere, salzreichere Wasser des Kuroshio. Da das leichtere subtropische Wasser das dichtere subpolare Wasser überlagert, wird das frische Oyashio-Wasser unter die warme Deckschicht geschoben und bildet das charakteristische Salzgehaltsminimum des NPIW. Von der Bildungsregion aus breitet sich das NPIW ostwärts und südwärts über den gesamten subtropischen Nordpazifik-Wirbel aus. Auf seinem Weg nimmt der Salzgehalt durch diapyknische Mischung, also quer zu den Dichteschichtungen (Isopyknen), allmählich zu und der Sauerstoffgehalt ab.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Das NPIW unterscheidet sich von den darüber und darunter liegenden Wassermassen durch sein markantes Salzgehaltsminimum: Typische Salzgehalte im Kernbereich liegen bei etwa 33,8 bis 34,0 Practical Salinity Units (PSU) in der westlichen Bildungsregion und steigen ostwärts auf rund 34,1 bis 34,3 PSU an. Die Temperaturen liegen je nach Region zwischen etwa 3 und 7 °C. Das frisch gebildete NPIW enthält vergleichsweise viel gelösten Sauerstoff und wenig Nährstoffe; mit zunehmender Entfernung von der Bildungsregion sinkt der Sauerstoffgehalt durch die Remineralisierung organischen Materials, während die Nährstoffkonzentrationen ansteigen.

Eine besondere geochemische Eigenschaft des NPIW ist sein Gehalt an gelöstem Eisen, der aus dem Ochotskischen Meer stammt. Das OSIW gilt als bedeutende Quelle von bioverfügbarem Eisen für den subarktischen Nordpazifik, eine der größten HNLC-Regionen (High-Nutrient, Low-Chlorophyll) der Erde, in der Eisen und nicht Stickstoff oder Phosphor die Primärproduktion limitiert.Jun Nishioka, Hajime Obata, Hiroshi Ogawac, Shigenobu Takeda, Ichiro Yasuda (2020): Subpolar marginal seas fuel the North Pacific through the intermediate water at the termination of the global ocean circulation. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), Band 117 (2020), Ausgabe 23, S. 12665–12673. DOI:10.1073/pnas.2000658117.

Bedeutung für den Kohlenstoffkreislauf

Das NPIW spielt eine wichtige Rolle bei der ozeanischen Aufnahme von anthropogenem CO₂. Tsuneo Ono et al.Tsuneo Ono, Katsuyuki Sasaki & Ichiro Yasuda (2003): Re-estimation of annual anthropogenic carbon input from Oyashio into North Pacific Intermediate Water. In: Journal of Oceanography, Band 59 (2003), S. 883–891. DOI:10.1023/B:JOCE.0000009578.19174.d4. schätzten den jährlichen Transport von anthropogenem Kohlenstoff in das NPIW auf etwa 0,045 Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr, was rund 35 Prozent der gesamten jährlichen anthropogenen Kohlenstoffakkumulation im gemäßigten Nordpazifik entspricht. Das Ochotskische Meer selbst wirkt als hocheffiziente Kohlenstoffsenke: Die CO₂-Aufnahme pro Flächeneinheit ist dort etwa fünfmal so hoch wie der globale Durchschnitt der ozeanischen CO₂-Absorption.Naomi Harada, Naokazu Ahagon, Tatsuhiko Sakamoto, Masao Uchida, Minoru Ikehara, Yasuyuki Shibata (2006): Rapid fluctuation of alkenone temperature in the southwestern Okhotsk Sea during the past 120 ky. In: Global and Planetary Change. Band 53 (2006), S. 29–46. DOI:10.1016/j.gloplacha.2006.01.010.

Allerdings zeigen neuere Untersuchungen, dass die Effizienz dieser Kohlenstoffaufnahme abnimmt. Watanabe, Nishioka und NakatsukaYutaka W. Watanabe, Jun Nishioka, Takeshi Nakatsuka (2013): Decadal time evolution of oceanic uptake of anthropogenic carbon in the Okhotsk Sea. In: Geophysical Research Letters. Band 40 (2013), Ausgabe 2, S. 2063–2067. DOI:10.1002/grl.50113. wiesen auf Grundlage chemischer Tracer (CFC-11, CFC-12, SF₆) nach, dass die Gesamteffizienz der ozeanischen CO₂-Aufnahme in der Wassersäule des Ochotskischen Meeres zwischen 1993 und 2006 um 14 Prozent gesunken ist. Die Ursache liegt in einer Verstärkung der Ozeanschichtung durch die Erwärmung, die das Absinken des dichten Schelfwassers in die Tiefe hemmt und damit die Belüftung des Zwischenwassers schwächt.

Paläoozeanographische Bedeutung

Das NPIW hat sich während vergangener Klimaschwankungen erheblich verändert. Während des Heinrich-Stadials 1 (vor etwa 17.500 bis 14.700 Jahren) wurde die NPIW-Bildung nach Modellsimulationen intensiviert, was die Schichtung zwischen Zwischen- und Tiefenwasser im Nordpazifik verstärkte und den Austausch von CO₂-reichem Tiefenwasser mit der Oberfläche behinderte.X. Gong, L. Lembke-Jene, G. Lohmann, G. Knorr, R. Tiedemann, J. J. Zou, X. F. Shi (2019): Enhanced North Pacific deep-ocean stratification by stronger intermediate water formation during Heinrich Stadial 1. In: Nature Communications. Band 10 (2019), Artikelnummer 656. DOI:10.1038/s41467-019-08606-2. Umgekehrt war der Zusammenbruch der NPIW-Bildung während des Alleröd- und des Bölling-Interstadials mit einer verstärkten Belüftung des tiefen Nordpazifiks und einem Anstieg des atmosphärischen CO₂ verbunden.Yanguang Liu, Yue Qiu, Dongling Li, Antonina V. Artemova, Yuying Zhang, Aleksandr A. Bosin, Sergey A. Gorbarenko, Qingsong Liu, Debo Zhao, Longbin Sha, Yi Zhong (2022): Abrupt fluctuations in North Pacific Intermediate Water modulated changes in deglacial atmospheric CO₂. In: Frontiers in Marine Science, Band 9 (2022), 945110. DOI:10.3389/fmars.2022.945110. Sedimentkerne aus dem Beringmeer und dem Ochotskischen Meer zeigen, dass während des Letzten Glazialen Maximums die Meereisbildung und damit die Brine Rejection im Ochotskischen Meer möglicherweise intensiver war, was zu einer stärkeren Ventilation des NPIW geführt haben könnte.Sergey A. Gorbarenko, Antonina V. Artemova, Evgeniy L. Goldberg, Yuriy P. Vasilenko (2014): The response of the Okhotsk Sea environment to the orbital-millennium global climate changes during the Last Glacial Maximum, deglaciation and Holocene. In: Global and Planetary Change, Band 116 (2014), S. 53–66. DOI:10.1016/j.gloplacha.2014.02.002. Vor rund 2,7 Millionen Jahren, mit der Vereisung der Nordhalbkugel, endete zudem die Bildung von echtem Nordpazifischem Tiefenwasser, und das NPIW blieb als einzige nennenswerte ventilierte Wassermasse intermediärer Tiefe im Nordpazifik zurück.Friso de Graaf, Heather L. Ford, Natalie Burls, Rachel Brown, Chris Brierley, Gavin L. Foster, David Thornalley (2025): Reduced North Pacific Deep Water formation across the Northern Hemisphere Glaciation. In: Nature Communications, Band 16 (2025), Artikelnummer 2704. DOI:10.1038/s41467-025-58069-x.

Klimawandel und Perspektiven

Die fortschreitende Erwärmung und der Rückgang der winterlichen Meereisbedeckung im Ochotskischen Meer bedrohen die Bildung des NPIW.Y. W. Watanabe, T. Ono, A. Shimamoto, T. Sugimoto, M. Wakita, S. Watanabe (2001): Probability of a reduction in the formation rate of the water mass in the North Pacific during 1980s and 1990s. In: Geophysical Research Letters. Band 28 (2001), Ausgabe 17, S. 3289–3292. DOI:10.1029/2001GL013212. Von einer Abnahme der Wassermassenbildungsrate im Nordpazifik wurde bereits in den 1980er und 1990er Jahren berichtet. Eine reduzierte NPIW-Bildung hätte weitreichende Folgen: weniger Sauerstoff in den intermediären Tiefen des Nordpazifiks, eine verminderte Eisenversorgung der produktiven subarktischen Oberflächengewässer und eine geschwächte Kapazität des Nordpazifiks als Senke für anthropogenes CO₂. Diese Veränderungen könnten in einer positiven Rückkopplung münden, bei der weniger CO₂-Aufnahme den atmosphärischen CO₂-Anstieg beschleunigt und die Erwärmung weiter verstärkt.

Einzelnachweise

Kategorie:Meeresströmung (Pazifischer Ozean)