mini|Verteilung der Wassermassen im Atlantischen Ozean. Die Wassermassen des Atlantischen Ozeans sind die durch gemeinsame Bildungsgeschichte und charakteristische Eigenschaften ausgezeichneten Wasserkörper, aus denen sich der Atlantik unterhalb der durchmischten Deckschicht zusammensetzt. Als Wassermasse wird dabei ein Wasserkörper mit messbarer Ausdehnung in horizontaler wie vertikaler Richtung – also ein quantifizierbares Volumen – verstanden, dessen Salzgehalt, Temperatur und weitere Eigenschaften auf einen bestimmten Entstehungsraum zurückgehen.Matthias Tomczak: Some historical, theoretical and applied aspects of quantitative water mass analysis. In: Journal of Marine Research. Band 57, 1999, S. 275–303.William J. Emery: Water Types and Water Masses. In: Encyclopedia of Ocean Sciences. Academic Press, San Diego 2001. Weil zwischen den Wassermassen fortlaufend Vermischung stattfindet, verlieren sie fernab ihrer Bildungsgebiete allmählich ihre ursprünglichen Eigenschaften.
Der Atlantik gilt als der am besten untersuchte Ozean der Erde und ist zugleich der Schauplatz der Atlantischen Umwälzzirkulation (AMOC), in der warmes Oberflächenwasser nach Norden und kaltes Tiefenwasser nach Süden strömt. Seine Wassermassen lassen sich in vier vertikale, durch Flächen gleicher neutraler Dichte getrennte Hauptschichten gliedern: die obere Schicht der Zentralwässer, die Zwischenschicht, die Tiefen- und Überstromschicht und die Bodenschicht.Mian Liu, Toste Tanhua: Water masses in the Atlantic Ocean: characteristics and distributions. In: Ocean Science. Band 17, 2021, S. 463–486. doi:10.5194/os-17-463-2021.
Begriff und Konzept
Zur Beschreibung von Wassermassen wird zwischen einer Wassermasse () und einem Quellwassertyp (, SWT) unterschieden: Eine Wassermasse besitzt eine physische Ausdehnung, ein Quellwassertyp hingegen ist eine rein rechnerische Größe – ein Satz definierter Eigenschaftswerte ohne räumliche Ausdehnung, der die Anfangseigenschaften im Bildungsgebiet und damit gleichsam den „Fingerabdruck“ einer Wassermasse beschreibt.
mini|Temperatur-Salzgehalt-Diagramm (T-S-Diagramm) für Meerwasser. Klassisch werden Wassermassen im Temperatur-Salzgehalt-Diagramm (T-s-Diagramm) identifiziert, das auf Bjørn Helland-Hansen zurückgeht: Jede Wassermasse erscheint darin als charakteristischer Punkt oder – bei den Zentralwässern – als charakteristische Linie. Da sich mit nur zwei Parametern (Temperatur und Salzgehalt) höchstens drei Wassermassen gleichzeitig unterscheiden lassen, wurden zusätzliche Eigenschaften herangezogen. Die Optimale-Multiparameter-Analyse (OMP) löst hierzu ein lineares Mischungsgleichungssystem und bestimmt für jede Wasserprobe die Anteile vordefinierter Quellwassertypen; in der erweiterten Fassung werden auch nicht-konservative Größen wie Sauerstoff und Nährstoffe durch die Einführung „präformierter“ Nährstoffgrößen einbezogen. Ein historischer Vorläufer solcher Verfahren ist die von Georg Wüst entwickelte Kernschichtmethode, bei der eine Wassermasse anhand des Extremwerts (Kern) einer Eigenschaft – etwa eines Salzgehaltsminimums oder -maximums – entlang ihres Ausbreitungsweges verfolgt wird.Georg Wüst: Die Stratosphäre des Atlantischen Ozeans. In: Wissenschaftliche Ergebnisse der Deutschen Atlantischen Expedition auf dem Forschungs- und Vermessungsschiff „Meteor“ 1925–1927. Band VI, 1. Teil, Berlin 1935.
Forschungsgeschichte
mini|Die Meteor der Deutschen Atlantischen Expedition 1925–27. Die systematische Erforschung der atlantischen Wassermassen begann mit der Deutschen Atlantischen Expedition auf dem Forschungs- und Vermessungsschiff Meteor (1925–1927) unter Leitung von Alfred Merz und, nach dessen Tod, von Kapitän Fritz Spiess und dem Ozeanographen Georg Wüst. Auf 14 Ost-West-Profilen wurden im Süd- und Zentralatlantik mehr als 300 hydrographische Stationen bearbeitet; die Auswertung markierte den Übergang von einer rein beschreibenden zu einer analytischen Ozeanographie. Wüst gliederte den Atlantik anhand der Tiefenverteilung von Temperatur, Salzgehalt und Sauerstoff und prägte die Vorstellung einer vertikalen Stockwerksgliederung, die den heute gebräuchlichen Schichten bereits weitgehend entspricht.
mini|Jahresmittelwert des gelösten anorganischen Kohlenstoffs (DIC) an der Meeresoberfläche für die heutige Zeit (1990er Jahre) auf Basis der Klimatologie des Global Ocean Data Analysis Project (GLODAP) Eine erste global vereinheitlichende Übersicht der Wassermassen nach Oberflächen-, Zwischen-, Tiefen- und Bodenschicht legten William J. Emery und Jürgen Meincke (1986) vor.William J. Emery, Jürgen Meincke: Global water masses: summary and review. In: Oceanologica Acta. Band 9, 1986, Ausgabe 4, S. 383–391. Mit der Verfügbarkeit großer, qualitätsgeprüfter Datensätze – insbesondere des verzerrungskorrigierten Datenprodukts des Global Ocean Data Analysis Project (GLODAPv2) – ließen sich die Eigenschaften und Verteilungen der atlantischen Wassermassen schließlich beckenweit und einheitlich kartieren, wie es Liu und Tanhua (2021) durchführten.
Vertikale Gliederung
Nach der neutralen Dichte (γ) werden vier Schichten unterschieden: die obere Schicht der Zentralwässer (oberhalb etwa 500–1000 m, γ < 27,10 kg/m³), die Zwischenschicht (etwa 1000–2000 m, γ zwischen 27,10 und 27,90 kg/m³), die Tiefen- und Überstromschicht (etwa 2000–4000 m, γ zwischen 27,90 und 28,10 kg/m³) und die Bodenschicht (überwiegend unterhalb etwa 4000 m, γ > 28,10 kg/m³). Die durchmischte Deckschicht selbst wird wegen ihrer starken jahreszeitlichen Schwankungen nicht zu den hier analysierten Wassermassen gerechnet.
Obere Schicht: Zentralwässer
mini|Strömungen (a) und Wassermassen (b, c, d, e) in der oberen Schicht des Atlantiks. Die obere Schicht wird von vier Zentralwässern eingenommen, die durch winterliche Subduktion unterhalb der Deckschicht entstehen und sich an ihrer linearen T-s-Beziehung erkennen lassen. Wegen ihrer großen Spanne in Temperatur und Salzgehalt werden sie jeweils durch zwei Quellwassertypen (obere und untere Grenze) beschrieben. Der Kern der Zentralwässer liegt in den oberen 500 m der Wassersäule. Die besonders gleichförmigen Teilbereiche der Zentralwässer werden physikalisch auch als Mode Water (deutsch etwa mit „Moduswasser“ zu übersetzen) bezeichnet.
Das Östliche Nordatlantische Zentralwasser (, ENACW) bildet sich in der Region zwischen den großen Ozeanwirbeln, nordwestlich der Iberischen Halbinsel; ihm wird ein Anteil Subpolar Mode Water beigemischt, das nach Süden transportiert wird und in die Eigenschaften des ENACW eingeht.Michael S. McCartney, Lynne D. Talley: The Subpolar Mode Water of the North Atlantic Ocean. In: Journal of Physical Oceanography. Band 12, 1982, S. 1169–1188. . Die Region zwischen den großen Ozeanwirbeln (Inter-gyre region), begrenzt durch die Breiten 39–48° N und die Längen 20–35° W (Pollard et al., 1996), gilt als Bildungsgebiet des ENACW. Als obere und untere Grenze zur Definition des ENACW werden die neutralen Dichten 26,50 und 27,30 kg m⁻³ angesehen. Das ENACW zeichnet sich durch niedrige Nährstoffgehalte aus, insbesondere beim Silikat.
Das Westliche Nordatlantische Zentralwasser (WNACW) entsteht an der Südflanke des Golfstroms, das Gebiet 24–37° N, 50–70° W in Tiefen geringer als 500 m. Es ist auch als „18-Grad-Wasser“ () bekannt, da diese Temperatur eins seiner wesentlichen Kennzeichen ist; es ist mit einer um etwa 0,9 g/kg höheren absoluten Salinität das wärmste und salzreichste der vier Zentralwässer. Zur Definition der ursprünglichen Eigenschaften des WNACW gelten die neutralen Dichten zwischen 26,20 und 26,70 kg m⁻³.A. Cianca, R. Santana, J. P. Marrero, M. J. Rueda, O. Llinás: Modal composition of the central water in the North Atlantic subtropical gyre. In: Ocean Science Discuss. Band 6, 2009, S. 2487–2506. doi:10.5194/osd-6-2487-2009
Das Östliche und das Westliche Südatlantische Zentralwasser (ESACW bzw. WSACW) bilden sich im Südatlantik; das ESACW wird südwestlich von Südafrika und südlich des Benguelastroms gebildet (30–40° S, 0–20° E). In dieser Region bringt der Agulhasstrom Wasser aus dem Indischen Ozean, das sich mit dem von Westen kommenden Südatlantikstrom vermischt. Der Ursprung des ESACW lässt sich zum Teil auf das Westliche Südatlantische Zentralwasser (WSACW) zurückführen, wird aber als neuer Wassermassentyp definiert, da durch den Agulhasstrom Wasser aus dem Indischen Ozean hinzukommt. Kern dieser Wassermasse sind 200–700 m. Als Kennzeichen gelten die neutrale Dichte (γ) zwischen 26,00 und 27,00 kg m⁻³ und eine Sauerstoffkonzentration über 230 µmol kg⁻¹. Das ESACW ist bis in den tropischen Nordostatlantik über der dortigen Sauerstoffminimumzone – etwa südlich der Kapverdischen Inseln – eine wichtige Komponente.
Das Westliche Südatlantische Zentralwasser (WSACW) entsteht in der Region nahe der südamerikanischen Küste zwischen 30 und 45° S, wo der oberflächliche Südatlantikstrom Zentralwasser nach Osten führt. Diese Wassermasse ist ein Produkt aus drei zusammengemischten Moduswässern: Der Brasilstrom bringt Salzgehaltsmaximum-Wasser (SMW) und Subtropisches Mode Water (STMW) aus dem Norden, während der Falklandstrom Subantarktisches Mode Water (SAMW) aus dem Süden bringt.M. Álvarez, S. Brea, H. Mercier, X. A. Álvarez-Salgado: Mineralization of biogenic materials in the water masses of the South Atlantic Ocean. I: Assessment and results of an optimum multiparameter analysis. In: Progress in Oceanography, Band 123, 2014, S. 1–23. doi:10.1016/j.pocean.2013.12.007. Das Zusammentreffen der beiden Strömungen (30–45° S, 25–60° W) gilt als Bildungsgebiet des WSACW. Zur Definition des WSACW wird die neutrale Dichte (γ) zwischen 26,0 und 27,0 kg m⁻³ festgelegt, ergänzt um die Bedingung von Silikatkonzentrationen unter 5 µmol kg⁻¹ und Sauerstoffkonzentrationen unter 230 µmol kg⁻¹. Die horizontale Verteilung des WSACW reicht bis in die Nordhemisphäre, konzentriert sich aber wie zu erwarten auf das westliche Becken.
Zwischenschicht
mini|Strömungen (a) und Wassermassen (b, c, d) in der Zwischenschicht des Atlantikwassers. Die Zwischenschicht enthält drei Hauptwassermassen. Diese haben ihren Ursprung in den oberen 500 m des Ozeans und sinken während ihrer Bildung in die mittlere Tiefe (1000–1500 m) ab. Ähnlich den Zentralwässern werden die Verteilungen der Zwischenwässer deutlich von den großen Meeresströmungen beeinflusst.
Das Antarktische Zwischenwasser (, AAIW) entsteht im Oberflächenbereich nördlich des Antarktischen Zirkumpolarstroms (, ACC), sinkt ab und breitet sich salzarm und sauerstoffreich entlang des Kontinentalhangs Südamerikas nach Norden bis etwa 30° N aus; es ist die vorherrschende Zwischenwassermasse des Südatlantiks.Lothar Stramma, Matthew England: On the water masses and mean circulation of the South Atlantic Ocean. In: Journal of Geophysical Research-Oceans. Band 104, 1999, Ausgabe C9, S. 20863–20883. doi:10.1029/1999JC900139. Als Abgrenzungskriterien für das AAIW dienen: neutrale Dichte zwischen 26,95 und 27,50 kg m⁻³, hoher Sauerstoff (> 260 µmol kg⁻¹) und niedrige Temperatur (konservative Temperatur (CT) < 3,5 °C) zur Abgrenzung des AAIW von den Zentralwässern (WSACW und ESACW) genutzt.
Das Subarktische Zwischenwasser (, SAIW) bildet sich aus der Oberflächenschicht am westlichen Rand des subpolaren Wirbels entlang des Labradorstroms aus einer Mischung des warmen, salzreichen Nordatlantikstroms (NAC) und des kalten, salzarmen Labradorstroms, breitet sich nach Südosten in der Region nördlich des Nordatlantikstroms (NAC) aus, überquert den Mittelatlantischen Rücken und tritt schließlich mit dem Mittelmeerwasser (MW) in Wechselwirkung. Die räumlichen Grenzen umfassen das Gebiet 50–60° N, 35–55° W, also die Region entlang des Labradorstroms und nördlich des NAC, als Bildungsgebiet des SAIW. Innerhalb dieses Gebiets werden neutrale Dichten über 27,65 kg m⁻³ und eine CT über 4,5 °C zur Definition und Abgrenzung des SAIW vorausgesetzt.