Agulhas Aktuelles Rätsel: Eine ozeanische Lücke in unserem Klimaverständnis

DER AGULHAS-STROM, Indischer Ozean, vor der Küste Südafrikas – Im vergangenen Juli ging ich an Bord des südafrikanischen Forschungsschiffs SA Agulhas II mit der großen Hoffnung, zusammen mit den Wissenschaftlern an Bord zu reisen, um den mysteriösen Agulhas-Strom zu untersuchen, und mit dem Plan, dies auch zu tun berichten ihre Daten und Erkenntnisse an Mongabay-Leser.

Aber die besten Pläne … Nur wenige Tage nach Beginn unserer Reise waren wir plötzlich gezwungen, die wichtige Klimamission des Schiffes abzubrechen und von unserer geplanten Route nach Norden entlang der Ostküste Südafrikas abzuweichen und stattdessen nach Südosten zu steuern, um zwei verletzte Forscher von Marion Island zu evakuieren. ein abgelegenes Naturschutzgebiet im subantarktischen Indischen Ozean.

In der Eile, diese Notrettung auf See durchzuführen, mussten monatelange Planungen der Wissenschaftler an Bord von Südafrikas einzigem Antarktis-Forschungsschiff auf Eis gelegt werden, sodass die Rätsel um den außergewöhnlich starken Agulhas-Strom, der an der Ostküste Südafrikas entlang strömt, ungelöst blieben mindestens noch ein Jahr.

Wenn man dazu noch die vorherige dreijährige Verzögerung aufgrund von COVID-19 hinzufügt, während der das Agulhas System Climate Array (ASCA)-Transekt nicht überwacht wurde, taucht ein größeres Problem auf: Wenn die Menschheit vollständig verstehen soll, wie das Klimasystem der Erde funktioniert Wenn es funktioniert, müssen wir verstehen, wie Grenzmeeresströmungen im globalen Süden genauso gut funktionieren wie im globalen Norden.

Grenzströmungen werden durch Küstenlinien geformt und sind Oberflächenströmungen, die entlang der Ost- und Westseite von Meeresbecken fließen. Doch während einige dieser Grenzströmungen im Norden – wie der bekannte Golfstrom – seit vielen Jahrzehnten und manchmal Jahrhunderten unter Beobachtung stehen, gibt es für diejenigen, die in den Meeren südlich des Äquators der Erde wirbeln, einen Mangel an Studien und die aktuellen Bemühungen sind unterfinanziert und da die wissenschaftlichen Ressourcen hier oft knapp sind.

„Wir alle, die am Global Ocean Observing System beteiligt sind“ – einem Programm der Zwischenstaatlichen Ozeanographischen Kommission (IOC) der Vereinten Nationen – „erkennen, dass der Mangel dieses Systems derzeit darin besteht, dass es an Messungen in Grenzströmungssystemen mangelt“, wie z Agulhas Current, sagt Lisa Beal, Professorin für Ozeanographie in der Abteilung für Ozeanwissenschaften an der Rosenstiel School der University of Miami.

Der daraus resultierende Mangel an historischen Daten sowie die jüngsten Datenlücken sind ein Anliegen, das von Forschern und politischen Entscheidungsträgern geäußert wird. „Langzeitüberwachung ist einer der wichtigsten Aspekte der Wissenschaft, wenn es darum geht, die Unterschiede und Auswirkungen zwischen natürlicher Variabilität und vom Menschen verursachtem Klimawandel zu verstehen“, erklärt Albi Modise, Chefkommunikationsdirektor des südafrikanischen Ministeriums für Forstwirtschaft, Fischerei und die Umgebung.

Wissenschaftler vermuten stark, dass das Agulhas-Stromsystem eine Rolle beim globalen Klimawandel spielt, aber es hat wahrscheinlich auch regionale Bedeutung: „Ohne Langzeitdaten über das gesamte Erdsystem rund um [Südafrika] lassen sich die lokalen Auswirkungen des Klimawandels genau bestimmen.“ [Klima-]Anpassungsstrategien werden nahezu unmöglich“, bemerkt Modise.

Wenn globale und regionale Klimamodellierungsvorhersagen erheblich verbessert werden sollen, muss die internationale Wissenschaftsgemeinschaft besser auf die Bedürfnisse, Ressourcen, Finanzierung und kulturellen Unterschiede zwischen dem globalen Norden und Süden eingehen, sagt Juliet Hermes. Hermes ist Manager des South African Environmental Observation Network (SAEON) Egagasini Node und außerdem amtierender Manager der Polarforschungsinfrastruktur des Landes.

Der eskalierende anthropogene Klimawandel macht große Wissenslücken deutlich, insbesondere in Bezug auf die Ozeane. Westliche Grenzströmungen und ihre Ausläufer haben sich in den letzten 100 Jahren zu den ozeanischen Regionen entwickelt, die sich am schnellsten erwärmen. Die Gründe dafür und seine Auswirkungen sind noch unklar. Einige Wissenschaftler spekulieren, dass die hohe Erwärmungsrate auf wechselnde Winde und eine Polverschiebung der Strömungen zurückzuführen sein könnte, was sich auf die Fähigkeit des Ozeans auswirken könnte, anthropogenes Kohlendioxid über diesen Regionen aufzunehmen.

Da die verschiedenen Strömungen eine Schlüsselrolle bei der Funktionsweise des Klimasystems der Erde spielen, befürchten Forscher, dass sich lokale Ozeaneffekte zunächst regional und dann global ausbreiten könnten.

Die erste Herausforderung beim Verständnis der Ozeane ist ihre Größe. Sie repräsentieren ein riesiges, miteinander verbundenes, komplexes Untersuchungsgebiet. Durch die Rotation des Globus und die Strahlungsenergie der Sonne in kontinuierliche Bewegung versetzt, wirbelt ihr Wasser in massiven, kreisförmigen Wirbeln, sogenannten Wirbeln, begrenzt durch starke Grenzströmungen, die Wasser und Wärme rund um den Globus aufwirbeln und absaugen.

Subtropische westliche Randströmungen wie die Agulhas sind stark, schmal, tief und warm. Genau wie der Golfstrom im Norden transportiert er Wärme aus den warmen Tropen in kältere Breiten, mildert das Erdklima und beeinflusst die Wetterverhältnisse auf See und an Land.

Grenzströme, die an Industrieländer wie die USA, Australien und Japan grenzen, werden im Rahmen langfristiger, nachhaltiger Beobachtungsprogramme genau untersucht. Das sei bei den Agulhas nicht der Fall, sagt Tamaryn Morris, leitende Wissenschaftlerin der Meeresabteilung beim South African Weather Service (SAWS) und Co-Hauptforscherin des ASCA-Projekts. Obwohl der Agulhas-Strom von den örtlichen Küsten aus umfassend untersucht wurde, stellt Morris fest, dass „derzeit keine langfristige, nachhaltige Überwachung des Stroms stattfindet“.

Das sogenannte „schreiende“ Agulhas ist eines der energiereichsten Strömungssysteme der Erde. Die Strömung schießt mit mehr als 75 Millionen Kubikmetern (2,65 Milliarden Kubikfuß) pro Sekunde südwestlich entlang des Kontinentalhangs Südafrikas – etwa das 350-fache der Fließgeschwindigkeit des Amazonas.

Im 14. Jahrhundert berichtete der portugiesische Entdecker Vasco de Gama, dass die Strömung so stark war, dass sie seine Flotte von Segelschiffen drei Tage lang zum stetigen Zurückweichen zwang. „Es ist einfach ein Biest“, sagt Hermes und fügt hinzu, dass die herkulische Stärke der Strömung zu den Herausforderungen der Erforschung der Agulhas beiträgt. Selbst auf der Reise im Juli – normalerweise eine ruhigere Zeit im Jahr – wurde die Datenerfassungsausrüstung von der Strömung mitgerissen.

An der Südspitze der Agulhas-Bank, einem breiten und flachen Teil des afrikanischen Festlandsockels, wird die Strömung durch Westwinde nach Osten umgelenkt und kehrt dann in einer Schleife gegen den Uhrzeigersinn zurück in den Indischen Ozean, wodurch dieser im Wesentlichen vom Südpolarmeer getrennt wird.

Bei dieser Rückströmung sickert das Wasser von Agulhas in kleineren kreisförmigen Strömungen, die fast wie Wirbel, sogenannte Wirbel, und in Filamenten aus warmem und salzigem Wasser wirbeln, um die Spitze Südafrikas herum in den Südatlantik.

Hier, im sogenannten „Kapkessel“, vermischen sich warme und salzhaltige Gewässer des Indischen Ozeans mit kühlerem, frischerem Atlantikwasser, strömen nach Norden und beeinflussen die Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation (AMOC). Das AMOC ist ein System von Meeresströmungen (angetrieben durch Temperatur- und Salzunterschiede), das Wärme über den Äquator von der südlichen zur nördlichen Hemisphäre transportiert.

Das AMOC funktioniert wie ein Förderband. Warmes Wasser fließt aus den Tropen und Subtropen nach Norden, bis es im subarktischen Süden Grönlands abkühlt und sinkt, dann in den tiefen Atlantik fließt und nach Süden zurückkehrt. Der potenzielle Einfluss der Agulhas auf die sich ständig verändernde AMOC hat die internationale Aufmerksamkeit auf das Verständnis der Südströmung gelenkt.

Klimamodelle deuten darauf hin, dass die AMOC schwächer wird, wenn die Treibhausgase in der Atmosphäre zunehmen und sich die Atmosphäre und die Meeresoberfläche erwärmen. Das zunehmende Abschmelzen des grönländischen Eisschildes in den letzten Jahren scheint diese Abschwächung durch die Überschwemmung des subarktischen Atlantiks mit Süßwasser zu verstärken. Einige Untersuchungen deuten darauf hin, dass es möglicherweise einen Schwellenwert für den Süßwassereintrag gibt, bei dessen Überschreitung das AMOC zusammenbrechen und aufhören könnte zu fließen.

Die Klimaauswirkungen eines solchen Ereignisses wären katastrophal für die Menschheit und die Artenvielfalt.

Klimamodellen zufolge könnte eine AMOC-Abschaltung die nördliche Hemisphäre auf Eiszeittemperaturen abkühlen, die Niederschläge über Europa und Nordamerika verringern, zu dauerhaften Dürrebedingungen in Westafrika führen und Monsune in Südamerika und Afrika nach Süden verlagern. Es könnte zu heftigeren Winterstürmen und Überschwemmungen in Nordeuropa und zu mehr Sommerregen im Mittelmeerraum kommen. Studien deuten darauf hin, dass ein späterer Anstieg des Meeresspiegels Städte entlang der Ostküste der Vereinigten Staaten dauerhaft überschwemmen könnte.

Aber auch wenn die AMOC-Änderungen im Norden beginnen, könnte das Eindringen von warmem und salzigem Agulhas-Wasser in den Atlantik zunehmen – und das könnte das modellierte Verhalten der AMOC verändern.

„Es kommt wirklich nur auf die Stärke der Westwinde an“, erklärt Beal. „Die Menge des Wassers aus dem Indischen Ozean, das in den Atlantischen Ozean gelangt, hat zugenommen, weil sich die Westwinde um die Antarktis als Folge des anthropogenen Klimawandels verstärkt haben.“ In der Vergangenheit war eine Verstärkung des Agulhas-Lecks mit einer Stärkung der AMOC verbunden.

Wissenschaftler fragen sich, ob dieses salzige Wasser im Indischen Ozean letztendlich die ozeanischen Auswirkungen der Gletscherschmelze auf die AMOC ausgleichen und aufheben könnte. Die Antwort: Wir wissen es nicht genau.

Klimamodelle haben die Eigenschaften des Greater Agulhas Current System oder seine Leckage bisher nicht realistisch erfasst, da das aktuelle System so turbulent ist. Um die Genauigkeit zu erhöhen, benötigen Wissenschaftler detaillierte, fortlaufende Agulhas-Daten vor Ort, die sie in ihre Modelle integrieren können.

Sogar Satellitenüberwachung kann nur die oberste „Haut“ des Ozeans lesen, erklärt Morris.

„Die nahezu einzige Möglichkeit, das Greater Agulhas Current System in seiner vollen Tiefe zu untersuchen, sind langfristige, kontinuierliche Messungen von verankerten Instrumentenanlagen und wiederholte hydrografische Beobachtungen von Schiffen aus“, schrieben Forscher in einem Artikel aus dem Jahr 2017 über die Bedeutung der Überwachung der Strömung und sein Austausch zwischen den Ozeanen. „Erst dann wird die wissenschaftliche Gemeinschaft beginnen, Veränderungen im Greater Agulhas Current System zu verstehen und vorherzusagen und seine Rückwirkungen auf regionale und globale Klimaveränderungen [anerkennen], wodurch der Allgemeinheit gesellschaftliche und wirtschaftliche Vorteile entstehen.“

Ein erster Versuch, die Strömung auf See zu überwachen, wurde 2010 mit Beal als Projektleiter gestartet. Die dreijährige Initiative erforderte drei aufeinanderfolgende wissenschaftliche Kreuzfahrten an Bord von US-Forschungsschiffen und die Wartung einer Reihe von Instrumenten über den Agulhas-Strom und entlang einer Satelliten-Bodenstrecke.

Forscher kombinierten diese unschätzbar wertvollen In-situ-Schiffsdaten mit Satellitendaten aus mehr als 20 Jahren, um abzuschätzen, wie sich der Agulhas-Strom seit den frühen 1990er Jahren verändert hat.

Die Ergebnisse des Projekts stellten das Verständnis der Wissenschaftler über westliche Grenzströmungen und die Reaktion der Gewässer auf den Klimawandel in Frage. Entgegen den Erwartungen aufgrund der zunehmenden globalen Erwärmung und der zunehmenden Winde, insbesondere auf der Südhalbkugel, hat die Stärke des Agulhas-Stroms in den letzten zwei Jahrzehnten nicht zugenommen. Stattdessen scheint die Strömung variabler geworden zu sein, verrät Beal. Aber was genau diese größere Variabilität bedeutet, ist ungewiss.

Im Anschluss an dieses erste Projekt wurde 2016 ASCA ins Leben gerufen – eine ehrgeizige Zusammenarbeit zwischen US-amerikanischen und südafrikanischen Wissenschaftlern, um die ersten Langzeitbeobachtungen des Volumens, der Wärme und des Salztransports des Agulhas-Stroms mithilfe südafrikanischer Schiffe durchzuführen. „Die Messung des Wärmetransports statt nur des Wassertransports ist ein wesentlicher Bestandteil von Klimastudien“, erklärt Beal.

Doch wie auch in diesem Jahr lief es nicht nach Plan. Die festgemachte Komponente von ASCA wurde aufgrund von Schwierigkeiten mit den Schiffsfähigkeiten nach nur zwei Einsätzen „pausiert“. Der Transekt wurde dann jährlich von der SA Agulhas II besucht, bis zur COVID-19-Pandemie, die zu einer großen Datenlücke führte.

Allerdings sei nicht alles umsonst gewesen, sagt Hermes. „Wir haben trotzdem großartige Arbeit geleistet.“ Die 26 Monate lang gesammelten Daten haben neue Erkenntnisse über den Strom geliefert, einschließlich erster Schätzungen seiner Wärme- und Salztransporte.

„Anhand eines relativ kleinen Datensatzes konnten wir ziemlich viel darüber sehen, was [saisonal] im Agulhas-Strom passiert“, sagt Laura Braby, Postdoktorandin am SAEON. Die Forscher fanden heraus, dass nährstoffreiches Wasser in der Tiefe, das sich weit vor der Küste befindet, im Sommer, wenn die Strömung stärker ist, auf den Festlandsockel wandert. Im Winter, wenn die Agulhas schwächer und langsamer sind als im Sommer, fließt Nordatlantisches Tiefenwasser (Wasser aus dem Nordatlantik, das tiefer als 2.000 Meter ist) um die Spitze Afrikas unterhalb der Agulhas-Strömung und nach Norden zum Äquator.

Dennoch führte die anhaltende dreijährige Forschungslücke zu einem Mangel an kontinuierlichen In-situ-Daten, so dass ernsthafte Fragen offen blieben, wie das Agulhas-Stromsystem die AMOC verändert und das globale Klima beeinflusst, wobei auch andere Fragen näher an der Heimat aufgeworfen wurden. „Es ist nicht nur der globale Norden, der [von den Agulhas] betroffen ist, sondern auch der globale Süden“, sagt Morris.

Das Agulhas-System beeinflusst die regionale Sturmentwicklung und kann verheerende Schäden in Form von extremen Regenfällen und Tornados über dem südlichen Afrika anrichten. Die Erwärmung des Agulhas-Stromsystems seit den 1980er Jahren hat möglicherweise die Empfindlichkeit des afrikanischen Wasserkreislaufs gegenüber den Auswirkungen des El Niño/der Südlichen Oszillation erhöht, aber die Forscher sind sich nicht sicher.

„Es ist wahrscheinlich, dass sich die sich ändernde Strömung auf die Niederschläge auswirken wird, was wiederum Auswirkungen auf mehrere integrale Industriezweige wie die Landwirtschaft haben wird“, erklärt Morris. Sie meint, die aktuellen Veränderungen könnten sich auch nachteilig auf die fruchtbaren Fischgärten der Agulhas-Bank auswirken, die für die Zukunft der reichen Fischgründe an der Küste von entscheidender Bedeutung seien.

„Aber vielleicht auch nicht“, sagt sie. „Wir wissen es einfach nicht.“

„Ich kann nicht genug betonen, wie wichtig kontinuierliche Messungen des Agulhas-Systems sind“, sagt Beal, „und es gibt niemanden außer Südafrika, der das kann.“

Aber es drohen Hürden – vor allem finanzielle.

Zu den Herausforderungen gehört die Suche nach Mitteln für die Beschaffung von Forschungsinfrastruktur zur Messung von In-situ-Parametern entlang des Agulhas-Stroms an mehreren strategischen Standorten; und gleichzeitig ausreichende Instrumentierung für Redundanz zu erhalten; Und wir verfügen über ein Team technisch geschulter Mitarbeiter, die dieses gewaltige Unterfangen an allen Standorten unterstützen, sagt Modise.

„Sobald man sowohl über die menschliche Kapazität als auch über die Ausrüstungsinfrastruktur verfügt“, schlussfolgert er, „werden das Budget und die Verfügbarkeit eines geeigneten Forschungsschiffs benötigt, um Ausrüstung auf See einzusetzen, zu warten und zu bergen.“

Jüngste Untersuchungen haben auch andere chronische Probleme hervorgehoben, darunter die weitreichenden sozioökonomischen Prioritäten Südafrikas, die um knappe staatliche Mittel konkurrieren; ein Mangel an strategischer Integration und Zusammenarbeit zwischen den Regierungsabteilungen; Ausrüstung entspricht nicht immer internationalen Standards; Mangel an langfristigen Möglichkeiten, Experten zu halten und zu fördern; und die Überbeanspruchung des technischen Personals.

Dennoch, so Hermes, sehe die Zukunft aufregend und rosig aus. Forschungsprojekte müssen sich auf den Aufbau vorhandener Kapazitäten in Afrika konzentrieren, anstatt neue Kapazitäten in Afrika aufzubauen, sagt sie. Modise weist darauf hin, dass Südafrika erfolgreich international anerkannte Ozeanographieprojekte durchgeführt hat. „Die Abteilung hat den Wärme- und Salzaustausch zwischen dem Becken des Indischen Ozeans und dem Südatlantik sowie Eindringen aus dem Südpolarmeer im Rahmen einer größeren Klimastudie mit internationalen Partnern überwacht“, sagt er

Unterdessen schrieb Morris im Juli auf der SA Agulhas II den Kreuzfahrtbericht, als das Schiff nach Kapstadt zurückkehrte, und dokumentierte, wie Forscher an Bord, anstatt den ASCA-Transekt zu erreichen, einen Zyklonwirbel untersuchten, der sich in einer Bucht auf dem Festland bildete Regal entlang ihrer angepassten Route. Vielleicht waren es nicht die Daten, nach denen sie suchten, aber vielleicht würden sie einen Beitrag zur Lösung der vielen Rätsel der Agulhas leisten.

Hermes, der nicht an Bord war, ist nicht überrascht. „In Afrika macht man einen Plan – macht einen Plan“, sagt sie. „Wir haben nicht die nötige Anzahl an Experten und wir haben nicht das Geld, aber wir machen das Beste aus dem, was wir haben.“

Bannerbild: Einsatz eines Wetterballons der SA Agulhas II. Bild von Petro Kotzé.

Zitate:

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Morris, T., Hermes, J., Beal, L., Du Plessis, M., Duncombe Rae, C., Gulekana, M., … Ansorge, IJ (2017). Die Bedeutung der Überwachung des Großen Agulhas-Stroms und seines Austauschs zwischen den Ozeanen mithilfe großer Ankerplätze. South African Journal of Science, 113(7-8). doi:10.17159/sajs.2017/20160330

McMonigal, K., Beal, LM, Elipot, S., Gunn, KL, Hermes, J., Morris, T. & Houk, A. (2020). Der Einfluss von Mäandern, Vertiefungen und Verbreiterungen sowie Saisonalität auf die Temperaturvariabilität des Agulhas-Stroms. Journal of Physical Oceanography, 50(12), 3529-3544. doi:10.1175/JPO-D-20-0018.1

Gunn, KL, Beal, LM, Elipot, S., McMonigal, K. & Houk, A. (2020). Vermischung von subtropischen, zentralen und intermediären Gewässern, angetrieben durch Verschiebung und Pulsieren des Agulhas-Stroms. Journal of Physical Oceanography, 50(12), 3545-3560. doi:10.1175/JPO-D-20-0093.1

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