Subduktion (Ozeanographie)

mini|Subduktion (und Auftrieb) am Beispiel wichtiger Wassermassen im Südlichen Ozean.

Unter Subduktion versteht man in der Ozeanographie den Transport von Wasser aus der durchmischten Deckschicht an der Meeresoberfläche in die darunterliegende dauerhafte Thermokline (die permanente Pyknokline). Dieser Prozess stellt die Verbindung her zwischen der Atmosphäre und dem Ozeaninneren.

Wassermassen, die in der durchmischten Schicht an der Oberfläche durch den Austausch von Wärme, Feuchtigkeit und Gasen mit der Atmosphäre geprägt wurden, werden durch die Subduktion unter die saisonale Deckschicht transferiert. Dort sind sie von direktem atmosphärischem Einfluss abgeschirmt und verändern ihre Eigenschaften im Ozeaninneren nur noch durch langsame Vermischung. Die Subduktion stellt damit den Gegensatz zum Auftrieb dar und ist der wichtigste Vorgang, durch den der obere Ozean „belüftet“ wird, während der tiefe Ozean durch Konvektion im offenen Ozean und durch Überströmen von dichtem Wasser von Kontinentalschelfen belüftet wird. Der Begriff „ozeanische Subduktion“ lehnt sich in Analogie an den geologischen Begriff der Subduktion an, der beinhaltet, dass eine starre Platte der Erdlithosphäre unter eine Platte mit geringerer Dichte und damit in den heißeren Teil des Erdmantels abtaucht.Richard G. Williams: Ocean Subduction. In: Encyclopedia of Ocean Sciences. Academic Press, San Diego 2001, Band 4, S. 156–166.

mini|Diagramm verschiedener Thermoklinen (Tiefe in Abhängigkeit von der Temperatur) nach Jahreszeit und Breitengrad. Subduktion findet im gesamten Ozean statt: bei windgetriebenen großen Ozeanwirbeln (mit horizontalen Ausdehnungen von mehreren tausend Kilometern) sowie an ozeanischen Fronten und in sogenannten Konvektionskaminen, die das Wasser vertikal durchmischen (mit horizontalen Ausdehnungen von einigen zehn bis hin zu mehreren hundert Kilometern). Der zur Subduktion gegensätzliche Prozess führt zum Transport von Wassermassen aus der Hauptthermokline in die saisonale Grenzschicht; dies beeinflusst die Eigenschaften der durchmischten Schicht sowie die Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre.

Der jährliche Subduktionszyklus

Der Vorgang der Subduktion ist eng an den saisonalen Zyklus der Deckschicht gebunden: Durch konvektive Umwälzung und turbulente Vermischung ist die durchmischte Schicht vertikal homogen. Im Winter reicht sie tief hinab, im folgenden Frühjahr und Sommer legt sich durch die Erwärmung der Oberfläche eine flache saisonale Thermokline darüber und schließt das darunter zurückbleibende Wasser von der Oberfläche ab. Die Subduktion in die permanente Thermokline findet in einem kurzen Zeitfenster von nur ein bis zwei Monaten am Ende des Winters und zu Beginn des Frühlings statt. Henry Stommel erkannte 1979, dass für die dauerhafte Belüftung der Thermokline nur das Wasser maßgeblich ist, welches am Ende des Winters aus der tiefen Deckschicht austritt und im folgenden Winter nicht wieder eingemischt wird (bekannt als Stommel-Dämon).Henry Stommel: Determination of water mass properties of water pumped down from the Ekman layer to the geostrophic flow below. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 76 (1979), S. 3051–3055. DOI:10.1073/pnas.76.7.3051. Diese Vorstellung bildet die Grundlage der Theorie der „belüfteten Thermokline“ ().John R. Luyten, Joseph Pedlosky, Henry Stommel: The ventilated thermocline. In: Journal of Physical Oceanography. Band 13 (1983), S. 292–309. DOI:10.1175/1520-0485(1983)013<0292:TVT>2.0.CO;2.

Die Subduktionsrate bezeichnet das Wasservolumen, das pro Zeit- und horizontaler Flächeneinheit durch die Untergrenze der winterlich durchmischten Deckschicht in die permanente Thermokline überführt wird. Die jährliche Subduktionsrate setzt sich aus zwei Beiträgen zusammen: dem senkrechten, windgetriebenen Abwärtstransport (Ekman-Pumpen), wie er vor allem in den Subtropenwirbeln vorkommt, und der lateralen Induktion – dem horizontalen Einströmen von Wasser über den geneigten Boden der Deckschicht. Die laterale Induktion überwiegt meistens, zum Teil um mehr als das Doppelte, besonders an ozeanischen Fronten wie der Subtropischen, der Subantarktischen oder der Polarfront.John C. Marshall, A. J. George Nurser, Richard G. Williams: Inferring the subduction rate and period over the North Atlantic. In: Journal of Physical Oceanography. Band 23 (1993), S. 1315–1329. DOI:10.1175/1520-0485(1993)023<1315:ITSRAP>2.0.CO;2.

Beitrag von Wirbeln und Filamenten

Die klassisch berechnete Subduktionsrate erfasst nur den großräumigen, zeitlich gemittelten Abwärtstransport. Tatsächlich tragen aber auch meso- und submesoskalige Prozesse erheblich zur Subduktion bei, die in gröber auflösenden Modellen weitgehend unberücksichtigt bleiben. An den Rändern mesoskaliger Wirbel (Eddys, Größenordnung 50 bis 200 km) und an den mit ihnen verbundenen Strömungsmäandern sind die vertikalen Geschwindigkeiten deutlich höher; zugleich verändern die Wirbel die Tiefe der Deckschicht und beeinflussen so die Bildung der Mode Water.Laura Herraiz-Borreguero, Stephen R. Rintoul: Subantarctic Mode Water variability influenced by mesoscale eddies south of Tasmania. In: Journal of Geophysical Research: Oceans. Band 115 (2010), Ausgabe C4. DOI:10.1029/2008JC005146. Auf der noch kleineren Submesoskala (etwa 1 bis 10 km) erzeugen scharfe Fronten und Filamente besonders starke Vertikalbewegungen von bis zu einigen zehn Metern pro Tag, die Oberflächenwasser in schmalen Fäden rasch in die Tiefe befördern.James C. McWilliams: Submesoscale currents in the ocean. In: Proceedings of the Royal Society A. Band 472 (2016), Artikel 20160117. DOI:10.1098/rspa.2016.0117.

Diese Prozesse sind auch für die biologische Kohlenstoffpumpe von Bedeutung. Beobachtungen während der Frühjahrsblüte im Nordatlantik zeigten, dass mit partikulärem organischem Kohlenstoff angereichertes Oberflächenwasser als 1 bis 10 km breite Filamente entlang der Wirbelränder bis in 100 bis 350 m Tiefe absinkt – ein zuvor unbeachteter, wirbelgetriebener Exportweg für organischen Kohlenstoff.Melissa M. Omand, Eric A. D’Asaro, Craig M. Lee, Mary Jane Perry, Nathan Briggs, Ivona Cetinić, Amala Mahadevan: Eddy-driven subduction exports particulate organic carbon from the spring bloom. In: Science. Band 348 (2015), S. 222–225. DOI:10.1126/science.1260062.

Subduktion und Mode Water

Durch Subduktion und Ventilation entstehen die Zentralwässer der Subtropenwirbel sowie die Mode Water (Wasserkörper mit einheitlichen Eigenschaften). Diese „Modenwässer“ bestehen aus großen Wassermengen, die nur schwach geschichtet sind und nahezu vertikal homogene Eigenschaften aufweisen. Sie bilden sich dort, wo die Subduktionsrate lokal besonders hoch ist, was oft mit den tiefsten winterlichen Mischungsschichten und starken lateralen Gradienten zusammenfällt. Die Subduktion führt dabei zur Bildung charakteristischer Modenwässer, wie zum Beispiel dem 18°-Mode-Water im Nordatlantik. Die dichtesten Modenwässer speisen ihrerseits die Zwischenwässer, so etwa das Subantarktische Mode Water das Antarktische Zwischenwasser oder das Subpolar Mode Water das Labradorseewasser.

Klimatische und biogeochemische Bedeutung

Da das Wasser beim Absinken die an der Oberfläche erworbenen Eigenschaften mitnimmt, transportieren insbesondere die Mode Water durch die Subduktion Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Wärme und Nährstoffe von der Oberfläche ins Ozeaninnere. So tragen sie wesentlich zur Aufnahme von anthropogener Wärme und CO₂ durch den Ozean bei und beeinflussen damit die Erwärmungsrate der Atmosphäre. Die Subduktionsraten verschiedener Modenwässer bestimmen, wie effektiv diese Eigenschaften in die Tiefe transportiert werden. Die Subduktion ermöglicht damit so etwas wie ein „Gedächtnis“ des Ozeans gegenüber vergangenen Oberflächenbedingungen.

Einzelnachweise

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