Salinität der Ozeane Ein Beitrag zur Klimadiskussion

Max Camenzind

Akademie HD

Januar 2018

Die Themen • Was ist der Salzgehalt – Salinität PSU?

• Wie ist der Salzgehalt auf die Meere verteilt?

• Salzgehalt und Meeresströmungen.

• Der Wasserzyklus und Salzgehalt.

• Messung des Salzgehaltes durch Argo-Roboter.

• Messung des Salzgehaltes durch Satelliten (Aquarius, SMOS, …).

• Klimasatelliten der ESA & NASA.

Was versteht man Salzgehalt der Meere?

Als Salinität (von lateinisch salinitas) bezeichnet man (vereinfachend) den Salzgehalt eines Gewässers, Wasserkörpers bzw. Wassers. Im einfachsten Fall wird sie als Massenanteil in g/kg (Gramm Salz pro Kilogramm Salzwasser bzw. Lösung) oder in Prozent angegeben (1 % entspricht 10 g/kg). Salze sind Ionen und werden daher mittels elektrischer Leitfähigkeit gemessen.

Was ist Salinität PSU ? 34,5 g pro Liter

Salzverteilung im Meerwasser

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Wieviel ist 35 g Salz in 1 L Wasser ?

Vergleich Meeres-Temperaturen

Verteilung Salzgehalt Erkläre den Unterschied T vs PSU !

Deutlich ist zu erkennen, dass das Atlantikwasser durchschnittlich mehr Salz enthält als das des Pazifiks und des Indischen Ozeans. Am salzigsten sind das Mittelmeer und das Rote Meer. Dort verdunstet viel Wasser, weil diese Meere aber nur über Meerengen mit den großen Ozeanen verbunden sind, vermischt sich das Wasser nur wenig mit dem der salzärmeren Nachbarozeane. Als deutlicher blauer Strudel ist das Süßwasser aus der Mündung des Amazonas entlang der Nordostküste Südamerikas zu erkennen.

Aquarius 2012

Wieso ist der Salzgehalt so wichtig? Der Salzgehalt ist zusammen mit der Temperatur der Antriebsmotor für die so genannte thermohaline Zirkulation. Diese bezeichnet ein globales Förderband, das sich um die gesamte Erde erstreckt und vier der fünf Ozeane verbindet. Damit einher geht auch ein Transport der Masse und der Wärmeenergie. Der Salzgehalt ist dabei niedriger in tropischen Gewässern und nimmt zu den Polen hin zu, zum einen durch Vedunstung, zum anderen durch Eisbildung, die Temperatur variiert mit dem Winkel der Sonneneinstrahlung. Das globale Förderband gleicht diese Unterschiede aus und transportiert so zum Beispiel wärmeres Wasser in höhere Breiten. Trotz seiner Wichtigkeit ist jedoch der Salzgehalt des Meerwassers bis heute nur dünn untersucht, obwohl 86% der weltweiten Verdunstung und 78% des Niederschlags über den Ozeanen stattfinden. Doch das änderte sich mit dem "Aquarius"-Observatorium der NASA, das seit 2011 jeweils monatlich ein globales Bild des Salzgehalts an die Erde sendete. Damit hat die Mission innerhalb weniger Monate wesentlich mehr Daten gesammelt als in den 125 Jahren zuvor.

Oberflächen-Meeres-Strömungen

Coriolis-Kräfte Dabei weichen die Meeresströmungen an der Oberfläche durch die Corioliskraft um 45° von der Windrichtung auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links ab. Zur Tiefe hin nimmt diese Abweichung spiralförmig zu, bis der Impuls seine Antriebskraft verliert (sog. Ekman-Spirale).

Auswirkung der Corioliskraft auf ein großskaliges Windsystem, hier Tiefdruckgebiet bei Island (Nordhalbkugel)

Corioliskraft auf Windgürtel

Thermohaline Zirkulation

Thermohaline Zirkulation

The thermohaline circulation is critically important to the transfer of heat on Earth. It brings warm water from the tropics to the poles, and cold water from the poles to the tropics, thus keeping polar regions from getting too cold and tropical regions from getting too hot. A reduction in the rate of thermohaline circulation would lead to colder conditions and enhanced formation of sea ice at the poles. This would start a positive feedback process that could result in significant global cooling. There is compelling evidence to indicate that there were major changes in thermohaline circulation, corresponding with climate changes, during the Pleistocene Glaciation.

Der Wasserzyklus & Salzgehalt

Wasserhaushalt

Wasserkreislauf

Moderne Argo-Nauten

Argo ist ein mobiles Beobachtungssystem für die Weltmeere, mit dem seit dem Jahr 2000 Temperatur, Salzgehalt und Strömungen gemessen werden. Die fast in Echtzeit übertragenen Daten werden in der Forschung und der Klimaüberwachung verwendet. Argo umfasst eine Flotte von mehr als 3800 automatisierten Treibbojen (im Englischen profiling floats genannt), die über alle Ozeane verteilt sind (Stand: November 2017). Diese Messroboter sind relativ klein und wiegen zwischen 20 und 30 kg. Alle profilierenden Treibbojen, die zum Argo-Programm gehören, unterliegen einer gemeinsamen Datenpolitik, und die Daten stehen in Echtzeit ohne Einschränkung öffentlich zur Verfügung.

Argo - Messkopf

Argo Floats – die Meeresroboter

Argo-Verteilung Dezember 2017

Argo - Anzahl Veröffentlichungen

Argo - Messmethode

Temperatur- & Salinitäts-Profile

2000 m Tiefe

Warum findet kein Temperatur- austausch statt? Diffusion?

Vermischung mit Regenwasser

Salinitäts-Verteilung Weltmeere an der Oberfläche - Aquarius

Die resultierende Karte zeigt den durchschnittlichen Salzgehalt des Oberflächenwassers zwischen 27. Mai und 2. Juni 2012. Die Spanne reicht dabei von 30 Gramm (blau-lila) bis 40 Gramm pro Kilogramm Wasser (rot). Deutlich ist zu erkennen, dass das Atlantikwasser durchschnittlich mehr Salz enthält als das des Pazifiks und des Indischen Ozeans. Am salzigsten sind das Mittelmeer und das Rote Meer. Dort verdunstet viel Wasser, weil diese Meere aber nur über Meerengen mit den großen Ozeanen verbunden sind, vermischt sich das Wasser nur wenig mit dem der salzärmeren Nachbarozeane. Als deutlicher blauer Strudel ist das Süßwasser aus der Mündung des Amazonas entlang der Nordostküste Südamerikas zu erkennen. Der mächtige Strom hinterlässt seine Signatur bis hinauf vor die Küste Floridas. In den Gewässern der polaren Breiten und vor allem an den Küsten der Arktis und Antarktis ist das Wasser ebenfalls deutlich salzärmer. Ein Grund ist hier das vom Schmelzwasser der Gletscher und von Eisbergen ins Meer transportierte Südwasser. Aber auch Regengebiete können die Meeresoberfläche zeitweilig salzarm machen.

Aquarius-Karte der Weltmeere

Salinitätskonturen Weltmeere

Salinität in 1000 m Tiefe

Salinität in 3000 m Tiefe homogen

Veränderung der

Temperatur &

Salinität in

20 Jahren

Meeresströmungen sind turbulent

Meeresströmungen sind turbulent

Video 1

Aquarius NASA

The Aquarius/Satélite de Aplicaciones Científicas (SAC)-D satellite observatory, was an international collaboration between NASA and Argentina’s space agency, Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE), with participation from Brazil, Canada, France and Italy. NASA launched Aquarius/SAC-D from Vandenberg Air Force Base, California, on June 10, 2011.

Aquarius

Das von der NASA entwickelte Instrument Aquarius misst 300.000-mal im Monat den Salzgehalt des Oberflächen-wassers. Dafür nutzt es Mikrowellensen-soren, die das thermische Signal der Wasseroberfläche registrieren. Aus diesem Signal lässt sich auf den Salzgehalt schließen.

Messung Salzgehalt mit Satelliten Jedes Objekt auf der Erde emittiert nicht nur Infrarotstrahlung, sondern auch Mikrowellen. Ein Mikrowellenradiometer misst die im Mikrowellenspektrum von der Erde und von jedem Objekt, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius liegt, emittierte natürliche Eigenstrahlung. Gerade im Mikrowellenbereich ist die Atmosphäre für viele Frequenzen transparent. Da Wolken keine Mikrowellenstrahlung emittieren, kann das Meereis ohne den störenden Einfluss der Bewölkung untersucht werden, da die Mikrowellen die Wolken durchdringen. Des Weiteren sind die Sensoren tageslichtunabhängig, was gerade in den Polarregionen unabdingbar ist und einen entscheidenden Vorteil gegenüber optischen Sensoren darstellt. Die Emission von Mikrowellen ist im Gegensatz zu Infrarotstrahlung zudem nicht nur an die Temperatur eines Objektes, sondern auch an sein Material geknüpft. Dafür sind aber die physikalischen Eigenschaften, wie die Molekülzusammensetzung und die Kristallstruktur für die Menge der emittierten Mikrowellenstrahlung bestimmend. Die kristalline Struktur von Eis emittiert typischerweise mehr Mikrowellenstrahlung als das flüssige Wasser des Ozeans, wodurch beide vom Sensor sehr einfach unterschieden werden können.

Salzgehalt der Meere mit Aquarius

Video 2 + 3

Eigenschaften Salzgehalt Meere • Die Karte zeigt verschiedene, gut bekannte Eigenarten

des ozeanischen Salzgehaltes, wie etwa • ein höherer Salzgehalt in den Subtropen, • ein höherer durchschnittlicher Salzgehalt im

Atlantischen Ozean, verglichen mit dem Pazifik und dem Indischen Ozean

• einen niedrigeren Salzgehalt in den Regengürteln nahe des Äquators, dem Nordpazifik und anderswo.

• Diese Eigenarten stehen in Zusammenhang • mit der großräumigen Niederschlagsverteilung und

Verdunstung über den Ozeanen, • dem Abfluss in Flüssen und der ozeanischen

Zirkulation.

Salzgehalt Maximum

Äquatoriales Minimum

Salzgehalt Amazonas-Mündung

Aquarius

Salzgehalt im Golfstrom

Aquarius

Salzgehalt El Nino

Salzgehalt Südpazifik

Salzgehalt Golf von Bengalen

Aquarius

Salzgehalt Tropenzone

Salzgehalt Tropenzone

Aquarius

Phytoplankton – Chlorophyll - NASA