Wassermassen des Atlantischen Ozeans

Zur Beschreibung von Wassermassen wird zwischen einer Wassermasse (englisch water mass) und einem Quellwassertyp (englisch source water type, 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.^[1][3]

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.^[3] 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.^[4]

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.^[4] 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.

Eine erste global vereinheitlichende Übersicht der Wassermassen nach Oberflächen-, Zwischen-, Tiefen- und Bodenschicht legten William J. Emery und Jürgen Meincke (1986) vor.^[5] 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.^[3]

Nach der neutralen Dichte (γ) werden vier Schichten unterschieden:^[3][5] 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.

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.^[3] Die besonders gleichförmigen Teilbereiche der Zentralwässer werden physikalisch auch als Mode Water (deutsch etwa mit „Moduswasser“ zu übersetzen) bezeichnet.^[2]

Das Östliche Nordatlantische Zentralwasser (englisch Eastern North Atlantic Central Water, 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.^[6] 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.^[7] 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“ (englisch Eighteen Degree Water) 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.^[7]

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.^[3] Das ESACW ist bis in den tropischen Nordostatlantik über der dortigen Sauerstoffminimumzone – etwa südlich der Kapverdischen Inseln – eine wichtige Komponente.^[3]

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.^[8] 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.^[3] Die horizontale Verteilung des WSACW reicht bis in die Nordhemisphäre, konzentriert sich aber wie zu erwarten auf das westliche Becken.

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 (englisch Antarctic Intermediate Water, AAIW) entsteht im Oberflächenbereich nördlich des Antarktischen Zirkumpolarstroms (englisch Antarctic Circumpolar Current, 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.^[9] 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.^[3]

Das Subarktische Zwischenwasser (englisch Subarctic Intermediate Water, 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.^[3]

Die dritte Wassermasse ist das Mittelmeerwasser (englisch Mediterranean Water, MW), das aus dem durch die Straße von Gibraltar ausströmenden Mittelmeerausstromwasser (MOW) hervorgeht. Diese Wassermasse ist im Nordostatlantik an hoher Salinität und Temperatur sowie mittlerer neutraler Dichte zu erkennen. Nach dem Passieren der Straße von Gibraltar vermischt sich das salzreiche Ausstromwasser rasch mit dem darüberliegenden ENACW, was zu einem starken Rückgang der Salinität führt; im Golf von Cádiz teilt sich der Ausstrom in einen west- und einen nordwärtigen Zweig, dessen salzreiches Signal bis in die Norwegische See verfolgt werden kann und der die salzreiche Zwischenschicht am europäischen Kontinentalrand mitprägt. Der Einfluss des MW ist in nahezu dem gesamten Nordostatlantik in der Zwischenschicht (östlich des MAR) bedeutend, mit hoher Temperatur und Salinität, aber niedrigen Nährstoffgehalten.^[10][3]

Die Tiefen- und Überlaufwässer finden sich grob zwischen 2000 und 4000 m bei neutralen Dichten zwischen 27,90 und 28,10 kg m⁻³. Diese Schicht wird vom Nordatlantischen Tiefenwasser (englisch North Atlantic Deep Water, NADW) beherrscht, das eine Schlüsselrolle in der Atlantischen Umwälzzirkulation spielt und mit dem tiefen westlichen Randstrom (DWBC) nach Süden bis etwa 50° S transportiert wird.^[3] Sein Quellgebiet liegt im nördlichen Nordatlantik, wo drei ursprüngliche Wassermassen zusammenwirken:^[11]

Das Labradorseewasser (englisch Labrador Sea Water, LSW) entsteht durch tiefe Winterkonvektion in der Labradorsee-Region zwischen der Labrador-Halbinsel und Grönland sowie Teilen des Irmingerbeckens. Kennzeichen sind die neutrale Dichte (γ) zwischen 27,70 und 28,10 kg m⁻³, eine CT < 4 °C im Tiefenbereich 500–2000 m.^[12] Es bildet – salzarm und sauerstoffreich – den Hauptteil des oberen Nordatlantischen Tiefenwassers (NADW).^[3] Die Merkmale sind seither als Beitrag zum Antriebsmechanismus des nordwärtigen Wärmetransports in der AMOC erkannt worden.^[13]

Das Island-Schottland-Überstromwasser (englisch Iceland–Scotland Overflow Water, ISOW) strömt bodennah aus der Islandsee im Gebiet östlich von Island über den Grönland-Schottland-Rücken (überwiegend durch den Färöer-Bank-Kanal) in den Nordatlantik und folgt dem Mittelatlantischen Rücken im Islandbecken; ein Teil passiert die Charlie-Gibbs-Bruchzone ins Irmingerbecken. Zur Definition des ISOW-Quellwassers werden die folgenden Kriterien verwendet: konservative Temperatur (CT) zwischen 2,2 und 3,3 °C und absolute Salinität über 34,95 g kg⁻¹; zusätzlich wird eine neutrale Dichte über 28,00 kg m⁻³ ergänzt, um das ISOW westlich des MAR vom LSW zu unterscheiden.^[3]

Das Dänemarkstraßen-Überstromwasser (englisch Denmark Strait Overflow Water, DSOW) besteht aus mehreren Wassermassen aus dem Nordpolarmeer und den Nordischen Meeren und strömt durch die Dänemarkstraße westlich von Island. An der Schwelle der Dänemarkstraße und beim Abstieg in die Irmingersee erfahren diese Wassermassen eine intensive Vermischung. Diese Überstromwassermasse gilt als die kälteste und dichteste Komponente des Meerwassers im Nordwestatlantik und macht einen bedeutenden Teil des südwärts fließenden NADW aus. Zur Definition des DSOW werden Proben aus der Irmingersee mit einer neutralen Dichte über 28,15 kg m⁻³ verwendet.^[3][11]

Südlich von etwa 40° N werden diese Quellwassermassen als oberes und unteres Nordatlantisches Tiefenwasser (uNADW bzw. lNADW) zusammengefasst und neu definiert: Das obere NADW geht überwiegend aus ISOW und LSW hervor, das untere aus ISOW und DSOW.^[3] Im Nordostatlantik bildet das umgewandelte Island-Schottland-Überstromwasser das salzreiche obere Nordostatlantische Tiefenwasser, während der bodennahe Bereich der östlichen Becken von südlich stammendem Wasser eingenommen wird.^[14]

Die Bodenschicht wird vor allem vom Antarktischen Bodenwasser (englisch Antarctic Bottom Water, AABW) eingenommen, der dichtesten Wassermasse des Atlantiks. Es entsteht im Weddellmeer südlich des Antarktischen Zirkumpolarstroms (ACC) durch Mischung zweier südlicher Wassermassen – des wärmeren Zirkumpolaren Tiefenwassers (englisch Circumpolar Deep Water, CDW) und des extrem kalten Weddellmeer-Bodenwassers (englisch Weddell Sea Bottom Water, WSBW) – und breitet sich, gekennzeichnet durch niedrige Temperatur (CT < 0 °C) und Salinität (SA < 34,68), aber hohem Silikatgehalt, nach Norden aus.^[3]

Auf dem langsamen Weg nach Norden ändern sich seine Eigenschaften erheblich (vor allem ein starker Rückgang des Silikatgehalts), sodass es nördlich des Äquators als Nordostatlantisches Bodenwasser (englisch Northeast Atlantic Bottom Water, NEABW; auch unteres Nordostatlantisches Tiefenwasser) neu definiert wird und die tiefsten Bereiche des östlichen Nordatlantiks einnimmt. Als Neudefinitionsgebiet des NEABW wird das Gebiet östlich des MAR und zwischen Äquator und 30° N gewählt, d. h. bevor das NEABW in das Iberische Becken eintritt.^[3]

Die Tiefen- und Bodenwassermassen bilden den unteren, äquatorwärts gerichteten Zweig der Atlantischen Umwälzzirkulation und damit einen zentralen Teil der globalen thermohalinen Zirkulation, die Wärme, Salz und gelöste Stoffe wie Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff über große Distanzen umverteilt.^[3] Nordatlantisches Tiefenwasser und Antarktisches Bodenwasser gehören dabei zu den volumenmäßig bedeutendsten Wassermassen des Weltozeans.^[15] Die genaue Kenntnis ihrer Eigenschaften und Verteilungen ist nicht nur für die physikalische Ozeanographie, sondern besonders für die biogeochemische und biologische Ozeanographie von Bedeutung, etwa bei der Untersuchung von Nährstoffkreisläufen, Sauerstoffminimumzonen oder der Aufnahme anthropogenen Kohlenstoffs.^[3][2]