Riesige „Schornsteine“ im Ozean leiten Windenergie Tausende Meter in die Tiefe

Stürme können den Ozean bis in Tausende Meter Tiefe beeinflussen. Obwohl der Wind nur an der Oberfläche angreift, erreicht ein Teil seiner Energie sogar den Meeresboden. Chinesische Wissenschaftler haben nun untersucht, wie Windenergie im Ozean solche Entfernungen überwindet. Eine entscheidende Rolle spielen riesige Meereswirbel. Sie bilden sogenannte Trägheitsschornsteine, durch die sich Wellenenergie besonders gut in die Tiefe ausbreiten kann.

Wie die Chinesische Akademie der Wissenschaften (CAS) mitteilte, wertete ein Forschungsteam Messdaten aus dem Pazifik östlich von Japan aus. 46 Stationen hatten dort fast zwei Jahre lang ein Meeresgebiet von rund 600 mal 600 Kilometern überwacht. Mit den Daten konnten die Wissenschaftler erstmals für dieses Gebiet beziffern, welche Prozesse die Wellenenergie am Meeresboden beeinflussen. Ein statistisches Modell erklärte 76 Prozent der beobachteten Energieschwankungen. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Deep Sea Research Part I.

Riesige Meereswirbel leiten Windenergie im Ozean nach unten

Durch die Erdrotation gerät das vom Wind bewegte Wasser in kreisförmige Schwingungen. Dabei entstehen sogenannte trägheitsnahe innere Wellen. Anders als gewöhnliche Oberflächenwellen breiten sie sich innerhalb des Ozeans aus und transportieren Energie in tiefere Wasserschichten.

Allerdings erschwert die natürliche Schichtung des Meerwassers diesen Transport. Oben liegt meist wärmeres, leichteres Wasser, darunter kälteres und dichteres. Je ausgeprägter die Dichteunterschiede sind, desto langsamer breiten sich die Wellen nach unten aus. Unterwegs verlieren sie zudem Energie.

Im Uhrzeigersinn rotierende Wirbel beschleunigen den Energietransport

Auf der Nordhalbkugel erleichtern im Uhrzeigersinn rotierende, sogenannte antizyklonale Wirbel den Transport der Wellenenergie. Sie verändern den Einfluss der Erdrotation auf die Wellen. Dadurch breiten sich diese schneller nach unten aus und ihre Energie konzentriert sich im Inneren der Wirbel.

So entstehen die von der CAS als „Trägheitsschornsteine“ bezeichneten Bereiche. Es handelt sich um keine festen Röhren, sondern um natürliche Wege, auf denen Wellenenergie leichter in die Tiefe gelangt. Gegen den Uhrzeigersinn rotierende Wirbel erschweren diesen Transport dagegen.

Messgeräte überwachen die Tiefsee fast zwei Jahre lang

Zum Einsatz kamen sogenannte CPIES-Geräte. Diese am Meeresboden verankerten Instrumente kombinieren akustische Messungen mit Strömungs- und Druckdaten. Sie arbeiten über lange Zeiträume selbstständig und erfassen auch kurzfristige Veränderungen, die bei einzelnen Messfahrten unbemerkt bleiben würden.

Die Geräte können Veränderungen der Wasserschichten über ihnen verfolgen. Ihre Daten helfen, die Bewegung innerer Wellen und die Entwicklung von Temperatur und Salzgehalt zu rekonstruieren. Durch die Kombination mehrerer Stationen lassen sich diese Veränderungen auch räumlich untersuchen.

Vier Faktoren bestimmen die Wellenenergie am Meeresboden

Die Energieschwankungen hängen sowohl mit Vorgängen in den oberen Wasserschichten als auch mit lokalen Strömungen am Meeresboden zusammen. Innerhalb des statistisch erklärten Anteils von 76 Prozent verteilen sich die Beiträge auf vier Einflussgrößen:

28 Prozent: Energieeintrag durch innere Wellen aus oberen Meeresschichten.
26 Prozent: Einfluss der Dichteschichtung des Meerwassers.
14 Prozent: Einfluss der Rotation großer Meereswirbel.
32 Prozent: Einfluss lokaler Strömungen nahe dem Meeresboden.

Damit hängen 68 Prozent des erklärten Anteils mit Prozessen in den oberen Wasserschichten zusammen. Das bedeutet allerdings nicht, dass 68 Prozent der Windenergie den Meeresboden erreichen. Die Werte beschreiben statistische Beiträge zur Erklärung der beobachteten Schwankungen, keine gemessenen Energieflüsse.

Bewegungen in der Tiefsee verändern auch die Schallausbreitung

Innere Wellen tragen zur Durchmischung des Meerwassers bei und beeinflussen dadurch die Verteilung von Wärme und Salz. Solche Veränderungen können innerhalb weniger Stunden auftreten, sich aber auch über ganze Jahreszeiten entwickeln.

Temperatur und Salzgehalt bestimmen außerdem mit, wie schnell sich Schall unter Wasser ausbreitet. Ändern sich diese Eigenschaften, verändern sich auch die Ausbreitungswege und Verluste von Schallwellen. Das ist für die Unterwasserkommunikation, die Ortung von Objekten und technische Arbeiten in der Tiefsee relevant.

Langzeitmessungen verbessern die Überwachung der Ozeane

Werden viele Messstationen miteinander vernetzt, lassen sich räumliche Veränderungen der Temperatur- und Salzverteilung über längere Zeit verfolgen. So entstehen dreidimensionale Darstellungen der Wasserschichten, die regelmäßig aktualisiert werden können.

Solche Daten können Meeresvorhersagen verbessern und Satellitenmessungen überprüfen. In Verbindung mit Schallausbreitungsmodellen ermöglichen sie zudem eine genauere Einschätzung der akustischen Bedingungen unter Wasser. Eine konkrete Verbesserung militärischer Ortungssysteme wurde bislang jedoch nicht nachgewiesen.

Kurz zusammengefasst:

Windenergie gelangt bis in die Tiefsee: Innere Wellen transportieren Energie von der Meeresoberfläche Tausende Meter nach unten, bis in die Nähe des Meeresbodens.
Riesige Meereswirbel erleichtern den Transport: Im Uhrzeigersinn rotierende Wirbel bilden sogenannte Trägheitsschornsteine, durch die sich Wellenenergie schneller in die Tiefe ausbreiten kann.
Die Erkenntnisse helfen, den Ozean besser zu verstehen: Messdaten aus dem Pazifik erklären, welche Prozesse die Wellenenergie am Meeresboden beeinflussen und wie sich Veränderungen im Meer auf die Schallausbreitung auswirken können.

Übrigens: Auch die innere Schichtung der Ozeane verändert sich. In vielen Meeresregionen unterscheiden sich die Wasserschichten zunehmend in ihrer Dichte. Das kann den Austausch zwischen Oberfläche und Tiefsee erschweren. Mehr dazu in unserem Artikel „Massenschwerpunkt des Ozeans sinkt und bremst Klimapuffer“.