St.-Anna-Rinne
ausgedehnte submarine Rinne im Arktischen Ozean an der Grenze zwischen Barentssee und Karasee
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Die St.-Anna-Rinne (russisch Schjolob Svwjatoy Anny, englisch St. Anna Trough oder Svyataya Anna Trough) ist eine ausgedehnte submarine Rinne im nördlichen Karasee-Schelf zwischen Franz-Josef-Land und Nowaja Semlja, die als wichtigste Passage für den Eintritt modifizierten Atlantikwassers aus der Barentssee in den Arktischen Ozean fungiert. Die Rinne stellt eine Schlüsselkomponente im globalen thermohalinen Zirkulationssystem dar und ist seit Fridtjof Nansens Überlegungen[1] als Durchflusskanal für dichtes Wasser aus der Barentssee in das Nansen-Becken bekannt.[2]
Benannt ist die Rinne nach der Brigg „St. Anna“ (russisch: Св. Анна / Svyataya Anna) einer russischen Polarexpedition unter Georgi Brussilow zu Beginn des 20. Jahrhunderts, die tragisch endete.
Geographie und Morphologie
Die St.-Anna-Rinne ist die größte Querrinne der Karasee und erstreckt sich über etwa 600 Kilometer in Nord-Süd-Richtung zwischen der Inselgruppe Franz-Josef-Land im Westen und der Insel Nowaja Semlja im Osten; sie verbindet die nördliche Barentssee mit dem tiefen Nansen-Becken des Arktischen Ozeans. Sie hat eine Breite von etwa 180 Kilometern und erreicht eine maximale Tiefe von 620 Metern[3] und senkt sich nach Norden in Richtung des Arktischen Ozeans ab, wo sie in das Eurasische Becken übergeht. Ihre Topographie kanalisiert und beschleunigt die Strömungen, die die Barentssee mit dem Arktischen Ozean verbinden.[3]
Etwa 300 Kilometer östlich verläuft parallel die Voronin-Rinne mit einer maximalen Tiefe von 450 Metern. Zwischen Nowaja Semlja und der St.-Anna-Rinne liegt die Franz-Viktoria-Rinne. Diese Rinnensysteme wurden während quartärer Vereisungen durch Gletscherströme ausgehobelt und dienten als Hauptentwässerungsrouten für die Barents-Kara-Eisschilde.[4]
Ozeanographie und Wassermassenzirkulation
Die St.-Anna-Rinne spielt eine entscheidende Rolle in der arktischen Zirkulation, insbesondere für den Transport von Wassermassen aus der Barentssee in den Arktischen Ozean:
- Hauptabflussweg der Barentssee: Die Rinne ist der primäre Abflussweg für das kalte, dichte Wasser, das in der Barentssee gebildet wird. Ein Großteil des in die Barentssee eingeströmten Atlantikwassers wird während seines Transits über den Schelf abgekühlt und durch Frischwassereinträge verändert. Dieses transformierte Wasser fließt als dichte Bodenströmung durch die St.-Anna-Rinne ab und tritt in den Arktischen Ozean ein.[2]
- Bildung von dichtem Schelfwasser: Im Winter ist die Region um die St.-Anna-Rinne ein Schlüsselgebiet für die Meereisbildung und die damit verbundene Freisetzung von Salz (brine rejection). Dieser Prozess erzeugt sehr kaltes und salzreiches (dichtes) Wasser, das entlang des Bodens der Rinne in die Tiefsee des Arktischen Ozeans absinkt. Dieses Wasser ist eine wichtige Komponente für die Bildung der bodennahen Wassermassen im Arktischen Ozean.[5][6]
- Einfluss auf die arktische Halokline: Das durch die Rinne in den Arktischen Ozean exportierte Wasser trägt maßgeblich zur Aufrechterhaltung der Halokline bei – einer Schicht mit starkem Salzgehaltsgradienten, die das kalte, salzarme Oberflächenwasser vom darunterliegenden wärmeren Atlantikwasser trennt und somit eine wichtige Barriere für den vertikalen Wärmeaustausch darstellt.[2][7]
- Zweigeteilte Strömungsstruktur: Ozeanographische Studien deuten darauf hin, dass die Strömung in der St.-Anna-Rinne eine zweigeteilte Struktur aufweisen kann. Während entlang des östlichen Hangs (nahe Nowaja Semlja) der kalte, dichte Barentssee-Abstrom vorherrscht, kann entlang des westlichen Hangs (nahe Franz-Josef-Land) zeitweise wärmeres Atlantikwasser aus dem Arktischen Ozean in die Barentssee zurückströmen oder sich eine komplexe Mischungszone ausbilden.[3][8]
Barentssee-Zweig und Framstraßen-Zweig
Die St.-Anna-Rinne ist der Hauptdurchlass für den Barentssee-Zweig (Barents Sea Branch Water, BSBW) des Atlantikwasser-Zustroms in den Arktischen Ozean. Das Wasser des Norwegischen Atlantikstroms, das in die südliche Barentssee eintritt, durchläuft erhebliche Modifikationen, bevor es die St.-Anna-Rinne erreicht: Es kühlt durch atmosphärischen Wärmeaustausch ab, wird durch Niederschläge und Eisschmelze verdünnt und vermischt sich mit salzreichem Schelfwasser (brine-enriched shelf water, BSW), das durch Gefrieren und Entstehung von Sole in Polynjas westlich von Nowaja Semlja und möglicherweise auch an der Central Bank gebildet wird.[2]
In der St.-Anna-Rinne treffen zwei atlantische Wassermassen aufeinander: Der nordwärts fließende Barentssee-Zweig und der Framstraßen-Zweig (Fram Strait Branch Water, FSBW), der vom Kontinentalhang des Nansen-Beckens aus in die Rinne eintritt.[9] Die Interaktion zwischen diesen beiden Zweigen des Norwegischen Atlantikstroms prägt die thermohaline Struktur und Zirkulation in der Rinne und beeinflusst die Eigenschaften des atlantischen Wasserflusses in die östliche Arktis.
Neuere hochauflösende Messungen von 2021 zeigen, dass der Großteil des Framstraßen-Zweigs innerhalb eines stabilen zyklonalen Wirbels in der Rinne rezirkuliert wird, während nur ein kleinerer Anteil zum Kontinentalhang zurückkehrt.[5] Diese Wirbelbildung erhöht die Verweilzeit des Framstraßen-Zweigs in der Rinne und verringert die Intensität des Wasser- und Wärmeaustauschs zwischen der Rinne und dem Kontinentalhang.
Volumentransporte und Wassermasseneigenschaften
Strömungsmessungen aus den 1990er Jahren in der nordöstlichen Barentssee ergaben Transporte zwischen 1,5 und 2,0 Sverdrup (Sv; 1 Sv = 10⁶ m³/s).[2] Der westwärts gerichtete Fluss stammt vom Framstraßen-Zweig am eurasischen Kontinentalhang, während der ostwärts gerichtete Fluss den Barentssee-Zweig darstellt, der sich von der westlichen Barentssee-Öffnung fortsetzt. Etwa 75 Prozent des ostwärts gerichteten Flusses waren kälter als 0 °C.
Die Strömung war stark geschichtet, mit den höchsten Geschwindigkeiten nahe dem Boden. Eine tiefe Schicht mit nahezu konstanter Temperatur von etwa −0,5 °C bildete während des gesamten Jahres etwa 50 Prozent des Flusses in die Karasee.[2] Dieses Wasser war eine Mischung aus warmem, salzhaltigem Atlantikwasser und kaltem, salzreichem Wasser, das durch Gefrieren und Konvektion in Polynjas westlich von Nowaja Semlja erzeugt wurde.
Das kalte Wasser in den tiefen Lagen des zentralen und östlichen Teils der St.-Anna-Rinne setzt sich aus zwei Modi zusammen: einem salzarmen Teil nahe dem Gefrierpunkt im oberen Teil der Flanke und einem wärmeren, salzreicheren Teil im zentralen tiefen Teil der Rinne. Der wärmere Modus, der aus der nordöstlichen Barentssee advehiert wird, ist bei weitem der dominierende.[2]
Schichtung und Eintrittstiefe
Das Bodenwasser, das in der St.-Anna-Rinne beobachtet wurde, entspricht der potentiellen Dichte in 2000 Metern Tiefe im Arktischen Ozean.[10] Das dichte Barentssee-Zweig-Wasser sinkt in die entsprechenden Tiefen des Nansen-Beckens ab, wo es kältere und salzärmere Intrusionen zwischen 1000 und 1500 Metern in der Wassersäule des Nansen-Beckens bildet, unterhalb des Framstraßen-Zweig-Atlantikwassers.[11]
Ein weniger dichter Teil des Barentssee-Zweigs trifft in der St.-Anna-Rinne auf das Framstraßen-Zweig-Wasser und vermischt sich mit diesem, bleibt aber nahe der Schelfkante und setzt sich ostwärts entlang des Kontinentalhangs der Karasee neben dem Framstraßen-Zweig fort.[11]
Variabilität und Klimawandel
Die Eigenschaften des Barentssee-Zweig-Wassers zeigen erhebliche zwischenjährliche und dekadische Variabilität. Langzeituntersuchungen von 1977 bis 2024 zeigen eine Verbindung zwischen der Anfangstemperatur der Atlantikwassermassen an der westlichen Grenze der Barentssee und der BSBW-Temperatur an der östlichen Grenze.[12] Der Temperaturanstieg des BSBW ist mit verstärkten lokalen südwestlichen Winden verbunden, die zu verringertem Ozean-Atmosphäre-Wärmeverlust führen, sowie mit verringerter Intensität der Bildung kalten dichten Wassers an den flachen Bänken der Barentssee.
Modellstudien haben eine Verlagerung der Abkühlungszone von der Barentssee zur St.-Anna-Rinne gezeigt, die durch Beobachtungen bestätigt wurde. In den letzten Jahren setzt sich die Abkühlung des BSBW in der St.-Anna-Rinne durch Vermischung mit kaltem dichtem Wasser fort.[12] Die beobachtete Erwärmung des BSBW, begleitet von einer Salzgehaltsabnahme in den letzten 15 Jahren, könnte die thermohaline Struktur und Zirkulation im Arktischen Ozean erheblich beeinflussen.
Geologische Geschichte und Glaziation
Die St.-Anna-Rinne wurde während der quartären Vereisungen durch Gletscherströme erodiert. Während der späten Weichsel-Vereisung (vor 25.000 bis 15.000 Jahren) erreichte der Barents-Kara-Eisschild erhebliche Dimensionen und nutzte die St.-Anna-Rinne als eine der Hauptentwässerungsrouten.[4] Sedimentkerne aus der Rinne zeigen Schichten mit hohem Gehalt an grobem, terrigenem, eisgetriftetem Schutt (ice-rafted debris, IRD), der während ausgedehnter Vereisungen im nördlichen Eurasien abgelagert wurde, als Eisschilde die nördlichen Kontinentalränder der Barents- und Karasee erreichten und Eisberge in den Arktischen Ozean entließen.
Die Sedimentbedeckung umfasst glaziale, glaziomarine und marine Ablagerungen des Oberen Quartärs, die durch unterschiedliche Gehalte an Kaolinit, Chlorit, Illit und Smektit charakterisiert sind.[13] Die Verteilung der Tonminerale spiegelt verschiedene Quellgebiete und Transportprozesse wider, einschließlich des Eintrags durch sibirische Flüsse und Eisberge.
Bedeutung für das arktische Klimasystem
Die St.-Anna-Rinne spielt eine Schlüsselrolle im arktischen Klimasystem, da sie etwa die Hälfte des Atlantikwasser-Zuflusses in den Arktischen Ozean leitet (die andere Hälfte fließt durch die Framstraße). Das durch die Rinne transportierte Wasser trägt erheblich zur Wärme- und Salzgehaltsverteilung im Arktischen Ozean bei und beeinflusst die Bildung und Stabilität der Meereisdecke.