Mitte der fünfziger Jahre standen Henry M. Stommel und Arnold B. Arons, damals wissenschaftliche Mitarbeiter an der Ozeanographischen Institution in Woods Hole (Massachusetts), grübelnd vor ihrer Wandtafel und suchten nach einer Möglichkeit, den Druck am Meeresboden in fünf Kilometern Tiefe zu bestimmen. Die einfache Rechnung Dichte mal Höhe der Wassersäule hätte keinen genauen Wert ergeben, weil die Dichte von der Temperatur und vom Salzgehalt abhängt, die beide mit der Tiefe variieren.

In ihrer Ratlosigkeit dachten die beiden Forscher sogar daran, ein bis auf den Grund reichendes Rohr hinabzulassen. Ließe man sein oberes Ende zunächst verschlossen und öffnete es erst nach dem Absenken, würde darin bodennahes Meerwasser aufsteigen. Da dieses weniger Salz enthält als das an der Oberfläche, wäre die Wassersäule im Rohr, nachdem sie überall die Umgebungstemperatur angenommen hätte, leichter und stünde deshalb höher als der lokale Meeresspiegel.

Stommel und Arons stellten sich vor, daß sie am wechselnden Wasserstand in ihrer Sonde leicht Druckunterschiede an der Basis verfolgen könnten. Als sie, gänzlich auf dieses Problem konzentriert, ihre Kreideskizze auf der Tafel betrachteten, kam Arons plötzlich eine verrückte Idee. Er fügte seitlich am Rohr dicht über der Meeresoberfläche einen Hahn an und sagte: "Henry, wenn wir den öffnen, wird in alle Ewigkeit Wasser herauslaufen".

Stommel nannte die Konstruktion den ewigen Salzbrunnen. Ein umgehend gebautes Labor-Modell funktionierte; eine mit bescheidenen Mitteln in voller Größe im Meer installierte Fontäne dieser Art kam allerdings nicht recht in Gang.

Die Erfindung von Stommel und Arons wäre vielleicht bloß eine ozeanographische Kuriosität geblieben, hätte ihr Kollege Melvin E. Stern nicht einige Jahre später theoretisch abgeleitet, daß im Ozean auch von allein Salzbrunnen entstehen können. Wie er herausfand, leitet Meerwasser Wärme etwa hundertmal so schnell, wie sich Konzentrationsunterschiede ausgleichen. Infolgedessen nimmt ein Wasserbereich weit rascher die Temperatur seiner Umgebung an, als er sich ihr im Salzgehalt anpaßt. Deshalb kann zwischen benachbarten Volumina auch ohne physische Barriere (wie eine Rohrwand) ein deutlicher Konzentrationsunterschied herrschen, der das salzärmere Paket emporsteigen und das ande-re zum Ausgleich dafür absinken läßt. Da das auslösende Phänomen nur über Distanzen von Zentimetern (der Reichweite effizienter Wärmeleitung) auftritt, bezeichnet man die schmalen, langgezogenen Auf- und Abströme, die sich dabei bilden, üblicherweise als Salzfinger.

Zunächst war es der Reiz der seltsamen Erscheinung, der mein Interesse daran weckte; mit den Jahren aber erkannte ich, daß diese vergleichsweise winzigen Strömungen beträchtliche Auswirkungen auf die großräumige Struktur der oberen Meeresschichten haben. Heute weiß man, daß fundierte Kenntnisse über die Salzfinger und ihre globale Bedeutung für exakte Modelle der Temperatur- und Konzentrationsverhältnisse in den Weltmeeren unerläßlich sind. Viele wichtige, bisher kaum bekannte Größen wie die Geschwindigkeit, mit der Kohlendioxid, Schadstoffe und Wärme im Ozean umverteilt werden, sind letztlich durch die Salzfinger mitbestimmt.


Entstehungsbedingungen von Salzfingern

Die Sonne heizt die Erde in Äquatornähe stärker auf als an den Polen; doch der Ozean trägt zu einem Ausgleich der resultierenden ungleichen Wärmeverteilung bei: Warmes Oberflächenwasser strömt polwärts und kühlt dabei langsam ab; in hohen Breiten sinkt es schließlich in die Tiefe und fließt dort in die Tropen zurück.

Dieser gewaltige Konvektionskreislauf bildet sich aus, weil kaltes Wasser dichter ist als warmes. Allerdings kann das im Meer gelöste Salz gleichfalls große Dichteunterschiede hervorrufen. Zwei eng verknüpfte Phänomene sorgen dafür, daß seine Konzentration von Ort zu Ort stark variiert: Durch Verdunstung wird das Salzwasser an der Ozeanoberfläche aufkonzentriert, so daß seine Dichte zunimmt; Niederschlag dagegen verdünnt die Lösung.

In der Regel wirken diese Veränderungen denen entgegen, die den globalen Konvektionszyklus antreiben. Durch die stärkere Verdunstung in niederen Breiten nehmen Salzgehalt und Dichte des Oberflächenwassers zu, durch die ausgiebigen Niederschläge in polnahen Zonen dagegen ab. Folglich konkurrieren die Einflüsse von Temperatur und Salzgehalt miteinander.

An den meisten Stellen ist die Schichtung des Ozeans stabil: Spezifisch leichteres warmes Wasser liegt über schwerem kälteren. Bezogen auf den Salzgehalt ist das Meer dagegen entschieden topplastig. Wegen des stabilisierenden Einflusses der Temperatur bleibt die instabile Konzentrationsverteilung dennoch überwiegend erhalten.

Wo allerdings die Unterschiede im Salzgehalt der oberen und unteren Wasserschichten einen gewissen Wert übersteigen, müßten sich nach Sterns Theorie spontan Ausgleichsströmungen entwickeln. Wie Berechnungen und Laborexperimente zeigen, sollten diese Ströme ein regelmäßiges Muster aus langen, dünnen, vertikalen Fäden bilden, welche im horizontalen Querschnitt als kleine, quadratische Zellen erscheinen.

Angesichts dieser Befunde begannen Ozeanographen Mitte der siebziger Jahre mit der Suche nach Spuren solcher Salzfinger im Meer. Eines der ausgewählten Gebiete war der östliche Nordatlantik. Weil im angrenzenden Mittelmeer die Verdunstung den Niederschlag bei weitem übertrifft, hat es einen besonders hohen Salzgehalt. Deshalb dringt durch die Straße von Gibraltar an der Oberfläche unablässig salzärmeres Atlantikwasser ein, während in einigen hundert Metern Tiefe Mittelmeerwasser in den Atlantik strömt, wo es allmählich absinkt und sich verteilt. Salzreiche Wasserlinsen – sogenannte Meddies – sind aber noch in mehr als tausend Metern Tiefe nachzuweisen (Spektrum der Wissenschaft, November 1993, Seite 29). Sie bieten wegen des hohen Konzentrationsunterschieds zu den Wasserschichten darunter günstige Voraussetzungen für das Auftreten von Salzfingern.

Bei einer Expedition in den siebziger Jahren wurde deshalb eine Meßapparatur, die Bruce A. Magnell als Doktorand am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge entwickelt hatte, im Schlepptau eines Schiffes durch eine solche Linse gezogen; ihre rasch ansprechenden Sensoren konnten kleinräumige Variationen von Temperatur und Salzgehalt aufspüren. Außerdem hoffte Albert J. Williams von der Forschungseinrichtung in Woods Hole mit einem optischen Gerät Änderungen des Brechungsindex zu ermitteln, wie Salzfinger sie verursachen würden. Beide Instrumente lieferten tatsächlich Hinweise darauf, daß an der Grenze zwischen Mittelmeer- und Atlantikwasser die erwarteten Schwankungen im Zentimeterbereich auftreten.

Der Erfolg dieser ersten Feldstudie gab den Anstoß zu vielen weiteren theoretischen Untersuchungen und Expeditionen. Bei der jüngsten entdeckte Thomas R. Osborn von der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore (Maryland) ei-ne unsymmetrische Form von Salzfingern: Schmale Kanäle mit absinkendem warmem, salzreichem Wasser waren von breiten aufwärtsgerichteten Strömungen umgeben. Ich konnte zeigen, daß ein solches Muster durchaus mit der Theorie vereinbar ist; allerdings bleibt unklar, unter welchen Umständen diese unregelmäßige Variante auftritt.


Treppenstufen in der Tiefsee

Ich selbst habe Salzfinger sowohl theoretisch und im Labor als auch auf ozeanographischen Expeditionen untersucht. Die aufwendigste fand 1985 etliche tausend Kilometer von Gibraltar entfernt auf der anderen Seite des Atlantiks nahe der Karibik statt. Wie Janice D. Boyd von der Naval Ocean Research and Development Activity anhand von Sammlungen ozeanographischer Daten festgestellt hatte, weist das Meer in einem großen Gebiet östlich von Barbados häufig eine besonders interessante vertikale Konzentrations- und Temperaturverteilung auf (Bild 2).

Gewöhnlich sinkt die Temperatur in der oberen Meeresschicht gleichmäßig von dem hohen Wert des von der Sonne erwärmten Oberflächenbereichs auf den niedrigen der dunklen Tiefsee ab. Ozeanographen nennen diesen allmählichen Temperaturwechsel Haupt-Thermokline. Doch zumindest solange genaue Messungen in diesem Teil des Nordatlantiks durchgeführt werden (also in den letzten 25 Jahren), verlief die Thermokline dort nie so glatt. Vielmehr sinkt die Temperatur mit der Tiefe treppenartig, indem sie nach fünf bis vierzig Metern jeweils einen Sprung macht. Weil der Salzgehalt ebenfalls stufenweise abnimmt, bezeichnen Ozeanographen diese Strukturen als thermohaline Treppen (nach griechisch hal, Salz).

Ähnlich wie geologische Formationen an Land lassen sich Wasserschichten einheitlicher Temperatur und Salzkonzentration im Meer Hunderte von Kilometern weit verfolgen. Allerdings ist nur schwer vorstellbar, wie derart regelmäßige Strukturen in einem fortwährend umgewälzten Ozean Bestand haben können. Müßten nicht die allgegenwärtigen inneren Wellen und Wirbel – ein den Turbulenzen der Atmosphäre vergleichbares Geschehen – das Treppenmuster rasch zerstören?

Das verhindern letztlich die Salzfinger. Sie transportieren nämlich mehr Salz als Wärme nach unten und verringern so das normale vertikale Gefälle für beide. Dabei vermindern sie jedoch nicht zugleich auch den Dichteunterschied; vielmehr vergrößern sie ihn sogar, weil das Salz die Dichte des ohnehin schon schwereren Wassers in der Tiefe mehr er-höht, als die gleichfalls zugeführte Wärme sie vermindert.

Damit wird nun die Treppenstruktur erklärlich, wie sie unter anderem im tropischen Westatlantik zu beobachten ist: Während eine turbulente Umwälzung Unregelmäßigkeiten im Dichteprofil ausgleichen würde, hat die Vermischung durch Salzfinger umgekehrt den Effekt, sie zu verstärken. In horizontalen Schichten, die zufällig bereits einen etwas steileren Dichtegradienten haben, erhöht er sich nämlich noch; dafür werden die benachbarten Schichten homogener. Insgesamt trennt sich der obere Ozean somit von selbst in Wasserlagen ziemlich gleichförmiger Temperatur und Salinität, zwischen denen sich dünne Übergangszonen mit hohen Gradienten befinden; und während in den relativ einheitlichen Schichten großräumige Konvektionsströme auftreten können, sind die Übergangszonen mit Salzfingern durchsetzt.

Bereits Ende der sechziger Jahre hatten Stern und John S. Turner von der Universität Cambridge (England) erstmals thermohaline Treppen im Labor beobachtet. Fast zur gleichen Zeit fanden Ozeanographen mit elektronischen Instrumenten, die langsam abgesenkt wurden, auch die ersten derartigen Muster im Ozean. Doch erst kürzlich gelang es, ein genaues Bild von den Vorgängen in solchen Strukturen zu entwickeln.


Operation C-SALT

Dazu trug insbesondere die Expedition von 1985 in den karibischen Raum bei. Als griffigen Projektnamen fanden wir C-SALT, was gesprochen wie "sea salt" – also Meersalz – klingt und für Caribbean Sheets and Layers Transects (etwa "Längsschnitte durch Schichtstrukturen in der Karibik") steht.

Mit Instrumenten an Bord von Flugzeugen und Schiffen sowie am Meeresboden (Bild 1) fanden wir treppenförmige Profile auf einer Fläche von mehr als einer Million Quadratkilometern – was etwa der Ausdehnung von Deutschland, Österreich, Schweiz und Frankreich zusammen entspricht (Bild 4). In der Regel waren zehn verschiedene Schichten auszumachen, jede nur etwa 30 Meter mächtig. Daß sich solch dünne Strukturen über Hunderte von Kilometern erstrecken können verblüffte uns sehr.

Interessant war auch, daß Temperatur und Salzgehalt innerhalb der einzelnen Schichten systematisch variierten: Nach Süden hin wurden die Lagen kühler und salzärmer, nach Norden dagegen wärmer und salzreicher. Wir schlossen daraus, daß die lateralen Veränderungen ein Gleichgewicht zwischen horizontalen Strömungen innerhalb der Schichten und Unterschieden im vertikalen Stoff- und Temperaturaustausch über die Schichtgrenzen hinweg darstellen.

Die Variationen innerhalb einzelner Schichten lieferten auch einen wichtigen Hinweis darauf, daß tatsächlich Salzfinger die Treppenstruktur aufrechterhalten. Der Salzgehalt schwankt nämlich stärker als die Temperatur. Kein anderer bekannter Vermischungsprozeß könnte ein solches Ungleichgewicht herbeiführen. Die gemessene Relation im Ausmaß der Schwankungen von Salzgehalt und Temperatur liegt zudem sehr nahe bei derjenigen, die aufgrund von Laborexperimenten und theoretischen Überlegungen zu erwarten ist.

Somit hatte unsere Untersuchung der Treppenstrukturen innerhalb der Thermokline bestätigt, daß es in erster Li-nie Salzfinger sind, die in diesem Gebiet für die Durchmischung des Meeres sorgen. Zugleich waren wir fasziniert von der Entdeckung, daß der kleinräumige Mischvorgang beobachtbare Auswirkungen auf die großräumige Temperatur- und Salzverteilung im Meer hat.


Direkte Beweise

Gegen Ende des C-SALT-Projekts beschlossen wir, die Mischungsraten direkt zu messen. Von einem Schiff setzten Michael C. Gregg und Thomas B. Sanford von der Universität von Washington in Seattle zusammen mit Williams und mir Instrumente ab, die beim freien Absinken Temperatur- und Salzgehaltsprofile aufnahmen; außerdem maß Rolf G. Lueck vom Chesapeake Bay Institute mit einem Gerät im Schlepp die Turbulenzen. Von einem zweiten Schiff ließen George O. Marmorino und seine Kollegen vom Naval Research Laboratory ei-ne Kette von Sensoren ins Wasser, die sowohl die Temperaturstruktur der Treppe zu kartieren als auch die kleinräumigen Auswirkungen der Salzfinger aufzuspüren vermochten.

Jedes dieser Instrumente registrierte ein ähnliches Muster ziemlich regelmäßiger Temperaturschwankungen in den Zwischenschichten, das sich deutlich von den wilden Fluktuationen unterschied, die für Turbulenzen charakteristisch sind. Die Schwankungsbereiche waren im Durchschnitt ungefähr drei Zentimeter breit, was hervorragend zum theoretischen Durchmesser der Salzfinger paßt. Die Temperatur-Sensoren von Marmorinos Gruppe registrierten außerdem normale Konvektionsströmungen innerhalb der 30 Meter mächtigen, gut durchmischten und relativ homogenen Schichten.

Allerdings trugen die Salzfinger insgesamt etwas weniger zum vertikalen Stofftransport bei, als wir vermutet hatten. Außerdem wich ihre Orientierung, wie das optische Gerät von Williams zu unserer Überraschung zeigte, stark von der Lotrechten ab. Und schließlich stellte sich heraus, daß die Zwischenschichten einige Meter dick sind und nicht nur einige Dezimeter, wie wir aufgrund der Laborexperimente erwartet hatten.

Mit verfeinerten physikalischen Modellen konnte Eric Kunze von der Universität von Washington in Seattle kürzlich diese Besonderheiten nachvollziehen: Die Schrägstellung der Salzfinger beruht auf Scherkräften, die von unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten in benachbarten Schichten herrühren; Ursache des geringeren Stoffaustausches ist dagegen vermutlich die größere Dicke der Zwischenschichten.

Die Messungen beim C-SALT-Projekt machten auch einen wichtigen thermodynamischen Unterschied zwischen der Vermischung durch Salzfinger und der durch gewöhnliche Turbulenzen deutlich. Bewegungen an der Oberfläche verbrauchen nur einen Teil ihrer kinetischen Energie damit, dichte Wasserpakete anzuheben und leichtere nach unten zu drücken, während der Rest in Wärme umgesetzt wird. Salzfinger dagegen erzeugen, während sie Wasserpakete auf- und abwärts schieben, relativ wenig Wärme. Bei gleichem Energieeinsatz leisten sie deshalb den fünf- bis zwanzigfachen vertikalen Stofftransport.

Nach den Ergebnissen dieser Expedition finden sich thermohaline Treppen in rund einem Viertel der Atlantikregion zwischen 10 und 15 Grad nördlicher Breite. Angesichts unserer Schätzungen, wonach solche Strukturen die Vermischungsgeschwindigkeit etwa verzehnfachen, sind sie somit von überragender Bedeutung für den vertikalen Transport von Salz, Sauerstoff und Nährstoffen, aber auch von anthropogenen Verunreinigungen im Meer.

Literaturhinweise

- The Microstructure of the Ocean. Von Michael C. Gregg in: Scientific American, Band 228, Heft 2, Seiten 65 bis 77; Februar 1973.

– Ocean Circulation Physics. Von Melvin E. Stern. Academic Press, 1975.

– Buoyancy Effects in Fluids. Von John S. Turner. Cambridge University Press, 1979.

– Double Diffusion in Oceanography. Von R. W. Schmitt in: Annual Review of Fluid Mechanics, Band 26, Seiten 255 bis 285 (1994).


Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 1995, Seite 70
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