Wassermasse

Die Bildung von Wassermassen, auch Wassermassenformation genannt, bezeichnet die Prozesse, durch die ozeanisches Wasser charakteristische Kombinationen aus Temperatur, Salzgehalt und Dichte annimmt und dadurch als kohärenter Wasserkörper identifizierbar wird. Diese Prozesse finden überwiegend an der Meeresoberfläche statt, wo der direkte Austausch mit der Atmosphäre wirksam ist, und stellen eine grundlegende Komponente der großskaligen Ozeanzirkulation dar. Wassermassenbildung ist eng mit der thermohalinen Zirkulation verknüpft, da Dichteänderungen infolge von Wärme- und Süßwasserzuflüssen vertikale Bewegungen im Ozean auslösen und so zur Erneuerung tiefer Wasserschichten beitragen.^[3][4]

Der primäre Antrieb der Wassermassenbildung ist der Austausch von Wärme und Süßwasser zwischen Ozean und Atmosphäre. In subpolaren Breiten führen starke Wärmeverluste an die Atmosphäre insbesondere während der Wintermonate zu einer deutlichen Abkühlung des Oberflächenwassers. Da die Dichte von Meerwasser mit abnehmender Temperatur zunimmt, kann diese Abkühlung dazu führen, dass Oberflächenwasser dichter wird als das darunterliegende Wasser und in tiefere Schichten absinkt. Parallel dazu beeinflussen Änderungen des Salzgehalts die Dichte des Meerwassers erheblich. Verdunstung erhöht den Salzgehalt und damit die Dichte des verbleibenden Wassers, während Niederschlag, Flusseintrag oder Schmelzwasser von Gletschern und Meereis den Salzgehalt verringern und stabilisierend auf die Wassersäule wirken.^[5][6]

Eine besondere Rolle spielt die Meereisbildung in polaren Regionen. Beim Gefrieren von Meerwasser wird Salz weitgehend aus dem entstehenden Eis ausgeschlossen und in das umgebende Wasser freigesetzt, ein Prozess, der als Brine rejection bezeichnet wird. Dadurch erhöht sich der Salzgehalt des verbleibenden Wassers deutlich, was in Kombination mit niedrigen Temperaturen zu sehr hohen Dichten führen kann. In Küstenpolynjen der Antarktis und der Arktis ist dieser Mechanismus besonders effektiv und trägt zur Bildung extrem dichter Wassermassen bei, die als Ausgangspunkt für Tiefen- und Bodenwasser fungieren.^[7][8]

Erreichen die durch Oberflächenprozesse erzeugten Dichteunterschiede einen kritischen Schwellenwert, setzt ozeanische Konvektion ein. Dabei sinkt dichtes Oberflächenwasser in Form turbulenter Konvektionsplumes in die Tiefe, während leichteres Wasser aufsteigt. In Regionen mit intensiver Winterabkühlung kann dieser Prozess große Tiefen erreichen und zur vollständigen Durchmischung der Wassersäule führen. Solche Ereignisse sind unter anderem aus der Labradorsee und der Grönlandsee bekannt und spielen eine zentrale Rolle bei der Bildung intermediärer und tiefer Wassermassen im Nordatlantik.^[3][9]

Neben der offenen Ozeankonvektion ist auch die Bildung dichter Wassermassen auf kontinentalen Schelfen von großer Bedeutung. In polaren Schelfregionen führen Meereisbildung, starke Abkühlung und topographische Effekte dazu, dass sich sehr dichtes Schelfwasser bildet, das anschließend entlang des Kontinentalhangs in größere Tiefen abfließt. Dieses sogenannte Dense Shelf Water ist ein wesentlicher Vorläufer des antarktischen Bodenwassers, der dichtesten Wassermasse der Weltmeere, die große Teile der Tiefsee von Atlantischem, Indischem und Pazifischem Ozean füllt.^[10][11]

In den Konvektionsschichten der subtropischen Wirbel führen hohe Verdunstungsraten und atmosphärische Abkühlung zur Bildung von warmem, salzreichem und homogenem Wasser. Dieses Wasser sinkt durch den Prozess der Subduktion entlang von Isopyknen, den Linien gleicher Dichte, ab und bildet die Kerne der permanenten Thermokline, also die wichtigen Wassermassen für die mittleren Tiefenschichten der subtropischen Ozeane.^[12][4]

Die Bildung von Wassermassen ist regional unterschiedlich ausgeprägt und konzentriert sich auf wenige Schlüsselgebiete der Weltmeere. Im Nordatlantik begünstigt die Kombination aus relativ hohem Salzgehalt, starkem Wärmeverlust und geeigneter Beckenstruktur die Bildung des Nordatlantischen Tiefenwassers. Im Südlichen Ozean entstehen durch Prozesse auf den antarktischen Schelfen extrem dichte Wassermassen, die als Antarktisches Bodenwasser die tiefste Komponente der globalen Umwälzzirkulation darstellen. Auch marginale Meere wie das Mittelmeer tragen zur Wassermassenbildung bei: Dort führen hohe Verdunstungsraten und Winterabkühlung zur Entstehung dichter Wassermassen, die über schmale Meeresstraßen in benachbarte Ozeanbecken ausströmen und deren Dichtestruktur beeinflussen.^[13][14]

Nach ihrer Bildung unterliegen Wassermassen im Ozean kontinuierlichen Veränderungen ihrer physikalischen und biogeochemischen Eigenschaften. Diese Prozesse werden unter dem Begriff der Wassermassenmodifikation zusammengefasst und unterscheiden sich von der eigentlichen Wassermassenbildung dadurch, dass sie in der Regel nicht zur Entstehung neuer, klar abgegrenzter Wassermassen führen, sondern bestehende Wassermassen entlang ihrer Ausbreitungswege allmählich verändern. Modifikation ist damit ein allgegenwärtiger Prozess im Ozeaninneren und spielt eine zentrale Rolle für die Entwicklung der Temperatur-, Salzgehalts- und Dichteverteilung im globalen Ozean.^[4]

Der dominierende Mechanismus der Wassermassenmodifikation ist die Mischung zwischen Wassermassen unterschiedlicher Eigenschaften. Diese Mischung wird durch turbulente Prozesse im Ozeaninneren angetrieben. Besonders wichtig ist dabei die Unterscheidung zwischen isopyknaler und diapyknaler Mischung. Isopyknale Mischung findet entlang von Flächen gleicher Dichte statt und ist vor allem mit mesoskaligen und submesoskaligen Strömungen wie Wirbeln und Fronten verbunden. Sie führt dazu, dass sich Eigenschaften wie Temperatur und Salzgehalt entlang dieser Dichteflächen ausgleichen, ohne die stabile Schichtung des Ozeans wesentlich zu verändern.^[15]

Demgegenüber bezeichnet diapyknale Mischung den Austausch von Wassereigenschaften über Dichteflächen hinweg. Dieser Prozess ist energetisch deutlich aufwendiger, da er gegen die stabilisierende Wirkung der Dichteschichtung arbeitet, spielt jedoch eine entscheidende Rolle für die langfristige Modifikation von Wassermassen. Diapyknale Mischung wird hauptsächlich durch kleinräumige Turbulenz verursacht, die unter anderem durch interne Wellen, Gezeitenströmungen über rauer Topographie sowie durch Scherinstabilitäten erzeugt wird. Obwohl die mittleren Mischungsraten im offenen Ozean gering sind, führen sie über lange Zeiträume zu signifikanten Veränderungen der Eigenschaften tiefer Wassermassen.^[16][17]

Neben der internen Durchmischung trägt auch der fortgesetzte Austausch mit der Atmosphäre zur Modifikation von Wassermassen bei, insbesondere solange sich diese noch in oberflächennahen oder intermediären Tiefen befinden. Während ihrer Ausbreitung können Wassermassen wiederholt mit der Atmosphäre in Kontakt kommen und dabei Wärme oder Süßwasser aufnehmen oder abgeben. Dieser wiederholte Oberflächenkontakt kann dazu führen, dass die ursprünglich bei der Bildung erworbenen Eigenschaften abgeschwächt oder teilweise überprägt werden. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt in subtropischen und subpolaren Gyren, in denen Wassermassen mehrfach subduziert und wieder an die Oberfläche geführt werden.^[18][6]

Eine zentrale Rolle bei der Modifikation von Wassermassen spielen mesoskalige Wirbel, die einen wesentlichen Anteil der ozeanischen kinetischen Energie tragen. Diese Wirbel fördern den lateralen Austausch von Wasser mit unterschiedlichen Eigenschaften und verstärken die isopyknale Durchmischung erheblich. Dadurch tragen sie zur Verbreiterung der charakteristischen Temperatur- und Salzgehaltsbereiche einzelner Wassermassen bei und erschweren eine scharfe Abgrenzung zwischen benachbarten Wassermassen. Gleichzeitig ermöglichen sie den Transport von Wassermasseneigenschaften über große Entfernungen hinweg, etwa vom Entstehungsgebiet in andere Ozeanbecken.^[19]

Auch die Wechselwirkung von Strömungen mit der Meeresbodentopographie beeinflusst die Modifikation von Wassermassen wesentlich. Über Kontinentalhängen, Rücken und Schwellen werden interne Wellen angeregt, die zu erhöhter Turbulenz und verstärkter diapyknaler Mischung führen. In solchen Regionen kann die Modifikation von Wassermassen deutlich intensiver sein als im offenen Ozean. Dies ist besonders relevant für Tiefen- und Bodenwassermassen, deren Eigenschaften sich auf ihrem Weg durch komplexe Beckenstrukturen schrittweise verändern.^[20][21]

In der Summe führen diese Mischungs- und Austauschprozesse dazu, dass Wassermassen ihre ursprünglichen Eigenschaften mit zunehmender Entfernung vom Bildungsgebiet allmählich verlieren. Temperatur- und Salzgehaltskontraste werden abgeschwächt, und die Dichte nähert sich der des umgebenden Wassers an. Dennoch bleiben charakteristische Signaturen oft über große Entfernungen hinweg erhalten, sodass Wassermassen weiterhin identifizierbar sind. Diese graduelle Veränderung bildet die Grundlage für das Konzept der Wassermassenanalyse, bei der Modifikation als kontinuierlicher Prozess entlang von Strömungspfaden verstanden wird.^[22]

Die Transformation von Wassermassen beschreibt die Prozesse, durch die Wasser von einer Dichteklasse in eine andere überführt wird. Im Gegensatz zur Modifikation, bei der sich die Eigenschaften einer Wassermasse allmählich verändern, ohne ihre grundlegende Dichtezuordnung zu verlassen, ist Transformation durch eine Nettoänderung der Dichte gekennzeichnet.^[23]

Der theoretische Rahmen der Wassermassentransformation wurde maßgeblich durch die Arbeiten von Gösta Walin geprägt,^[24] der zeigte, dass Dichteänderungen im Ozean direkt aus den an der Oberfläche wirkenden Wärme- und Süßwasserflüssen abgeleitet werden können. Wärmeflüsse an der Oberfläche verändern die Temperatur des Wassers, während Niederschlag, Verdunstung, Flusseintrag und Eisprozesse den Salzgehalt beeinflussen. Beide Größen wirken gemeinsam auf die Dichte und können Wasser kontinuierlich in dichtere oder leichtere Dichteklassen überführen. Die integrierte Wirkung dieser Flüsse bestimmt, wie viel Wasser pro Zeiteinheit eine bestimmte Dichteklasse verlässt oder neu gebildet wird.^[24][25]

In hohen Breiten dominieren Transformationsprozesse, die Wasser in dichtere Klassen überführen. Starke Wärmeverluste an die Atmosphäre und salinitätserhöhende Prozesse wie Meereisbildung führen dort zu einer Nettotransformation von leichtem Oberflächenwasser in intermediäres, tiefes oder sogar bodennahes Wasser. Diese Transformation ist eine notwendige Voraussetzung für die Existenz der tiefen und bodennahen Zweige der globalen Umwälzzirkulation. Ein klassisches Beispiel ist die Transformation des warmen Atlantikwassers im Europäischen Nordmeer: Auf seinem Weg entlang des norwegischen Kontinentalhangs kühlt es ab, gibt Wärme an die Atmosphäre ab und vermischt sich teilweise mit kälterem, frischerem Küstenwasser. Diese Transformation ist essenziell, bevor Teile davon in die Konvektionsgebiete gelangen oder als Überstromwasser über die Grönland-Schottland-Schwelle in den Nordatlantik zurückfließen, wo sie erneut umgewandelt werden.^[26][6]

In niedrigeren Breiten hingegen überwiegen häufig Transformationsprozesse, die Wasser in leichtere Dichteklassen verschieben. Positive Wärmeflüsse in den Ozeanen sowie hoher Niederschlag führen dort zu einer Abnahme der Dichte, sodass Wasser leichter wird und zur Ausbildung stabil geschichteter Oberflächenwassermassen beiträgt. Diese gegenläufigen Transformationsregime in hohen und niedrigen Breiten sind miteinander gekoppelt und bilden gemeinsam einen geschlossenen Kreislauf, der den großskaligen Austausch zwischen Oberflächen- und Tiefenozean ermöglicht.^[27]

Ein besonderer Fall sind die sogenannten Überstrom-Wasser (Overflow Waters) – dichte Wassermassen, die über bathymetrische Schwellen fließen und dabei den Hang abwärts absinken. Beim Abstieg mischen sich diese Overflow-Wasser mit dem darüberliegenden, weniger dichten Wasser und verändern dabei ihre Temperatur- und Salzgehaltseigenschaften erheblich. Ein klassisches Beispiel ist das Dänemarkstraßen-Overflow-Wasser (DSOW), das mit einer Temperatur von etwa 0 Grad C und einer potentiellen Dichte von über 27,8 kg/m³ über die Schwelle der Dänemarkstraße fließt. Beim Abstieg in das tiefe Nordatlantikbecken mischt es sich mit wärmerem und salzreichem Subpolarem Mode Wasser (Mode Water), wodurch sich sein Volumentransport etwa verdreifacht. Die resultierenden Overflow-Wasser bilden zusammen mit dem Labradorsee-Wasser das Nordatlantische Tiefenwasser (NADW), das die untere Zelle der Atlantischen Meridionalen Umwälzzirkulation (AMOC) speist.^[28]

Veränderungen der atmosphärischen Antriebe, etwa im Zuge des anthropogenen Klimawandels, wirken sich unmittelbar auf die Wassermassentransformation aus. Eine Abschwächung der Oberflächenabkühlung oder eine Zunahme von Süßwassereinträgen kann die Transformation in dichte Wassermassen reduzieren und damit langfristig die tiefen Zweige der Umwälzzirkulation beeinflussen. Die Analyse von Transformationsraten gilt daher als ein zentrales Werkzeug zur Diagnose klimabedingter Veränderungen im Ozeansystem.^[4][29]

Die Klassifikation von Wassermassen erfolgt anhand ihrer charakteristischen Temperatur-, Salzgehalts- und Dichteeigenschaften. Ergänzend werden häufig chemische und biogeochemische Tracer wie Sauerstoff oder Nährstoffe herangezogen. Auf globaler Skala lassen sich Oberflächen-, Zwischen-, Tiefen- und Bodenwassermassen unterscheiden.

Tiefen- und Bodenwasser (1500 m bis Boden)

Die darunterliegenden Tiefenwassermassen (> 1500 m) entstehen überwiegend in hohen Breiten durch intensive Konvektion und Transformation. Sie füllen große Volumina der Tiefsee und sind vergleichsweise homogen, da sie über lange Zeiträume hinweg durch Mischung modifiziert werden. Das Nordatlantische Tiefenwasser stellt eine der bedeutendsten Tiefenwassermassen dar und ist durch relativ hohe Salzgehalte und einen charakteristischen Sauerstoffgehalt gekennzeichnet, der auf seine Bildung im Nordatlantik zurückgeht.^[9]

Die dichteste Klasse bilden die Bodenwassermassen, die in den tiefsten Bereichen der Ozeanbecken vorkommen. Sie entstehen vor allem in polaren Schelfregionen, wo sehr dichte Wassermassen durch starke Abkühlung und salinitätserhöhende Prozesse gebildet werden. Antarktisches Bodenwasser ist die dominierende Bodenwassermasse der Weltmeere und beeinflusst die Eigenschaften der tiefsten Schichten nahezu aller Ozeanbecken.^[10]

Regionale Klassifikationen berücksichtigen zusätzlich die spezifischen Entstehungsbedingungen einzelner Meeresgebiete, etwa im Nordatlantik oder im Südpolarmeer. Die Klassifikation dient der systematischen Beschreibung der ozeanischen Struktur und erleichtert den Vergleich von Beobachtungen aus unterschiedlichen Regionen und Zeiträumen.

Wassermassen spielen eine zentrale Rolle im Klimasystem der Erde, da sie maßgeblich den Transport und die Speicherung von Wärme, Süßwasser, Kohlenstoff und biogeochemischen Tracern im Ozean steuern. Durch ihre Bildung, Modifikation und Transformation koppeln sie Prozesse an der Meeresoberfläche mit dem Ozeaninneren und ermöglichen so einen langfristigen Austausch zwischen Atmosphäre und Tiefsee. Diese Kopplung ist eine wesentliche Voraussetzung für die zeitliche Trägheit des Klimasystems und erklärt, warum ozeanische Veränderungen häufig auf Zeitskalen von Jahrzehnten bis Jahrhunderten wirken.^[4]

Ein zentraler klimarelevanter Aspekt ist der meridionale Wärmetransport durch Wassermassen. Oberflächen- und Zwischenwassermassen transportieren Wärme aus niedrigen in höhere Breiten, während kalte, dichte Tiefen- und Bodenwassermassen den Rückfluss in Richtung Äquator ermöglichen. Diese großskalige Umwälzung trägt wesentlich zur Milderung regionaler Klimakontraste bei, insbesondere im Nordatlantikraum, wo die nordwärts gerichtete Wärmezufuhr eng mit der Bildung und Ausbreitung nordatlantischer Wassermassen verknüpft ist.^[31][32]

Darüber hinaus stellen Wassermassen ein zentrales Reservoir für Kohlenstoff und Sauerstoff dar. Bei der Bildung in gut belüfteten Oberflächenregionen nehmen Wassermassen atmosphärischen Sauerstoff und Kohlendioxid auf. Während ihrer Ausbreitung in der Tiefe werden diese Stoffe über lange Zeiträume vom direkten Austausch mit der Atmosphäre isoliert. Insbesondere Tiefen- und Bodenwassermassen tragen so zur langfristigen Speicherung von anthropogenem Kohlenstoff im Ozean bei und dämpfen den Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration.^[33][34]

Veränderungen in der Wassermassenstruktur wirken sich daher unmittelbar auf das Klimasystem aus. Eine Abschwächung der Bildung dichter Wassermassen, etwa durch zunehmende Oberflächenerwärmung oder verstärkte Süßwassereinträge, kann die tiefe Ozeanzirkulation verlangsamen und damit sowohl den Wärmetransport als auch die Effizienz der Kohlenstoffaufnahme beeinflussen. Beobachtungen deuten darauf hin, dass sich die Eigenschaften mehrerer wichtiger Wassermassen in den letzten Jahrzehnten messbar verändert haben, was auf eine Reaktion des Ozeans auf den anthropogenen Klimawandel hinweist.^[35][36]

Die Analyse von Wassermassen beruht auf hydrographischen Messungen von Temperatur, Salzgehalt und Druck. Diese Daten werden überwiegend durch schiffsgestützte Messungen sowie durch autonome Plattformen erhoben.

Ein wichtiges globales Beobachtungssystem ist das Argo-Programm, das kontinuierlich Vertikalprofile aus dem oberen Ozean liefert. Ergänzend werden chemische Tracer eingesetzt, um Herkunft, Alter und Ausbreitung von Wassermassen zu bestimmen.^[37][38]

Numerische Ozean- und Klimamodelle werden genutzt, um die Prozesse der Wassermassenbildung, -modifikation und -transformation zu simulieren und Beobachtungen in einen dynamischen Kontext einzuordnen.^[39][29]

Aktuelle Forschung befasst sich unter anderem mit der räumlichen Verteilung und Stärke ozeanischer Mischungsprozesse sowie mit den Auswirkungen des Klimawandels auf die Bildung dichter Wassermassen. Dabei stehen insbesondere polare und subpolare Regionen im Fokus. Zunehmende Oberflächenerwärmung und verstärkte Süßwassereinträge durch Gletscherschmelze und veränderte Niederschlagsmuster beeinflussen insbesondere die polaren und subpolaren Bildungsregionen. Beobachtungen deuten darauf hin, dass sich Eigenschaften und Volumen einiger Tiefen- und Bodenwassermassen bereits verändert haben. Ob diese Veränderungen langfristig zu einer Abschwächung oder strukturellen Umorganisation der globalen Umwälzzirkulation führen, ist Gegenstand intensiver Forschung und Modellierung.^[35][36]

Ein weiteres Forschungsfeld ist die Verbesserung der Beobachtungsabdeckung in der Tiefsee und in schwer zugänglichen Gebieten. Neue autonome Messsysteme sollen dazu beitragen, langfristige Veränderungen besser zu erfassen.

Es zeigt sich, dass die Erforschung von Wassermassen zunehmend interdisziplinär wird. Physikalische, chemische und biogeochemische Perspektiven werden enger miteinander verbunden, um den Ozean als integriertes System zu verstehen. Die Analyse von Wassermassen bleibt dabei ein zentrales Ordnungsprinzip, das es erlaubt, komplexe Prozesse zu strukturieren und ihre Bedeutung für das Klimasystem zu bewerten.

Wassermassen werden üblicherweise nach ihrem Ursprungsort benannt und spiegeln die Eigenschaften des Quellgebiets wider. Die Abkürzungen werden durch den Ursprung der Wassermassen (erste ein oder zwei Zeichen, z. B. ‚NA‘ für ‚Nordatlantik‘) und ihre vertikale Lage (letzte zwei Zeichen, z. B. ‚DW‘ für ‚Deep Water‘ = Tiefenwasser) bestimmt. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über verschiedene Wassermassen und ihre Besonderheiten.^[4][2]