Zehn Meter hohe Wellen – darauf war Joellen Russell nicht vorbereitet, als diese südlich von Neuseeland gegen ihr Forschungsschiff prallten. "Bei jeder dieser Wellen dachten wir, unser Schiff würde zerschellen", erinnert sie sich. Die Forscherin von der University of Arizona in Tucson erstellt normalerweise Ozeanmodelle am Computer – hier auf dem Schiff wurde sie fast von einer Monsterwelle über Bord gespült.

Wirklich Sorgen machten ihr aber eher die von den Messsensoren unten im Ozean erfassten Daten. Während das Schiff hin und her geworfen wurde, erkannte sie bereits, dass die Meeresoberfläche wenig Sauerstoff, aber viel Kohlendioxid enthielt und extrem sauer war. Dies alles sind Anzeichen für nährstoffreiches Wasser, das aus der Tiefe der See an die Oberfläche gekommen war. Wie sich später herausstellte, ritt Russell tatsächlich auf Wellen aus uraltem Wasser, das seit Jahrhunderten keinen Kontakt mit der Atmosphäre gehabt hatte.

Diese Beobachtung aus dem Jahr 1994 wurde zunächst sehr kontrovers diskutiert, ist aber inzwischen als eines der besonderen Kennzeichen des auch sonst mysteriösen Antarktischen Ozeans anerkannt. Bei diesem so genannten Upwelling wird ein starker Auftrieb des Tiefenwassers durch die weltweit stärksten und sehr ausdauernden Winde angetrieben. Das ganze Gebiet absorbiert riesige Mengen an Kohlendioxid und Wärme aus der Atmosphäre und bremst so die globale Erwärmung. Und nicht zuletzt treiben seine starken Strömungen die globale Zirkulation im Meer an.

Eisberg vor Sturmfront
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Das Südpolarmeer gehört zu den wildesten und klimatisch extremsten Regionen der Erde. Nahezu konstante Stürme wühlen das Wasser auf und treiben es vor sich her. Nur kurze Schönwetterphasen erlauben Fotos wie dieses.

Die unwirtlichen Bedingungen des Südpolarmeers haben jahrzehntelang viele Ozeanografen ferngehalten – doch das hat sich inzwischen geändert und eine neue Ära ist auch hier angebrochen. Ausgerüstet mit Bojen, Ankern, Schiffen, Gleitern, Satelliten, Computermodellen und sogar Robben mit Sensoren strömen Forscher aus der ganzen Welt herbei. Sie alle wollen die großen Datenlücken schließen und verstehen, wie dieser südliche Ozean und das globale Klima zusammenspielen. Dies könnte der Schlüssel zu genaueren Vorhersagen der Erderwärmung und der Zukunft der antarktischen Eisschicht sowie zum Anstieg der Meeresspiegel sein. Der Ozeanograf Arnold Gordon vom Lamont-Doherty Earth Observatory in Palisades im Bundesstaat New York hatte schon in den 1960er Jahren erste Analysen des Südpolarmeers geleitet und meinte nun: "Die Informationsflut von heute ist unglaublich. Mit den neuen Technologien können wir Daten aus den entlegensten Gebieten sammeln und müssen nicht mehr mit Schiffen durch das Meereseis fahren."

Laut ersten Messungen einer Flotte von Meeresbojen könnte das aufsteigende Meerwasser nun aber dazu führen, dass der südliche Ozean jährlich weniger Kohlendioxid aufnimmt. Damit stellt sich die Frage, inwieweit die Ozeane in den nächsten Jahrzehnten die globale Erderwärmung überhaupt noch bremsen können. "Das Südpolarmeer hilft uns im Augenblick gegen den Klimawandel. Das könnte sich aber ändern", erklärt der Ozeanforscher Michael Meredith vom British Antarctic Survey in Cambridge in Großbritannien. In den nächsten fünf Jahren will sein Team einige Expeditionen durchführen, um dabei die Aufnahmeleistung von Wärme und Kohlenstoff zu dokumentieren. "Das ist der beste Ort für Untersuchungen."

Dem Kohlendioxid auf der Spur

Auch wenn die besondere Geografie dieser Region ein gefährlicher Ort für Schiffe ist, die Entdecker hat sie schon immer angezogen. Südlich des 60. Breitengrades gibt es keine Landmassen, die Wind und Wellen zähmen könnten, so dass sie ungehindert um die Erde brausen. Das Eis der Antarktis ist berüchtigt dafür, Schiffe unerwartet einzuschließen, wie etwa die Endurance von Ernest Shackleton im Jahr 1915.

Seit den 1980er Jahren merken die Wissenschaftler immer deutlicher, wie wichtig diese Region für die Kontrolle der globalen Erwärmung ist. Damals versuchten sie zu klären, wie die Kohlendioxidkonzentration in der letzten Eiszeit erst um etwa ein Drittel abnahm, um später wieder zuzunehmen. Der Ozeanograf Jorge Sarmiento von der Princeton University vermutete schon damals, dass Veränderungen in der Zirkulation und der Biologie des Südpolarmeers an der Abkühlung und Erwärmung der Erde beteiligt seien.

Drei Jahrzehnte später machte sich Sarmiento nun daran, die ersten Echtzeitdaten über die chemischen und biologischen Prozesse bei der Regulation des Kohlenstoffs im Südpolarmeer zu sammeln. Im Rahmen des 21 Millionen US-Dollar teuren Southern Ocean Carbon and Climate Observations and Modeling Project (SOCCOM) wurden inzwischen schon 51 von 200 vorgesehenen Roboterbojen positioniert, die nun in den oberen 2000 Metern des Südpolarmeeres auf- und abtauchen. Neben dem weltweiten Beobachtungssystem Argo, das mit mehr als 3700 Bojen Daten zu Temperatur und Salzgehalt der Meere sammelt, messen die SOCCOM-Bojen zusätzlich Sauerstoff, Kohlenstoff und Nährstoffe im Wasser.

Mit den neuen Daten können Sarmiento und sein Team ihre Simulationen testen und Schätzungen präzisieren, wie sich Kohlendioxid zwischen den Meeren und der Atmosphäre hin und her bewegt. Indirekte Hinweise deuten auf das Südpolarmeer als Nettosenke hin, die bisher 15 Prozent aller Kohlenstoffemissionen absorbierte, die von der Menschheit seit der industriellen Revolution freigesetzt wurden. Doch zu bestimmten Jahreszeiten und an bestimmten Stellen im Meer entlässt kohlenstoffreiches Oberflächenwasser das Gas wieder in die Atmosphäre.

Und nun können die Forscher zum ersten Mal beinahe in Echtzeit messen, was im südlichen Ozean insbesondere im Winter passiert. "Wir haben auch schon gesehen, dass die Freisetzung von Kohlendioxid in die Atmosphäre viel größer ist als bisher angenommen. Das ist dramatisch", erzählt Sarmiento. Die noch unveröffentlichten Untersuchungen basieren bisher auf nur 13 Bojen, die seit mindestens einem Jahr im Wasser schwimmen. Ob die höheren Emissionen während des Winters repräsentativ für größere Veränderungen über das gesamte Südpolarmeer sind, ist daher nicht klar. "Das ist ganz schön spannend, weil es bedeuten würde, dass die Kohlenstoffsenke im südlichen Polarmeer schwächer ist, als wir bisher dachten", meint Alison Gray, die als Postdoktorandin in Princeton die Messungen leitet.

Wie gut funktioniert die Kohlenstoffsenke Südpolarmeer?
© Nature, nach Landschützer, P. et al.: The reinvigoration of the Southern Ocean carbon sink. In: Science 349, S. 1221-1224, 2015; dt. Bearbeitung: Spektrum der Wissenschaft; Tollefson, J.: The hostile ocean that slowed climate change. In: Nature 539, S. 346-348, 2016
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Ähnliche Hinweise gab es auch schon früher. Laut einer 2007 in "Science" veröffentlichten Studie des Teams um Corinne Le Quéré, der derzeitigen Leiterin des Tyndall Centre for Climate Change Research in Norwich in Großbritannien, ging die Kohlenstoffaufnahme im Südpolarmeer zwischen 1981 und 2004 zurück. Die Autoren der Studie machen die Winde dafür verantwortlich, die den antarktischen Kontinent umkreisen. Ihre Geschwindigkeit hat in dieser Zeit zugenommen, wahrscheinlich als Ergebnis des Ozonloches in der Stratosphäre über der Antarktis und infolge der globalen Erwärmung. Stärkere Winde können altes Tiefseewasser besser nach oben ziehen, welches dann bei Erreichen der Oberfläche Kohlendioxid freisetzt und damit eine Schwächung der Kohlenstoffsenke zur Folge hat.

Würde dieser Trend anhalten, könnte der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in Zukunft sogar noch schneller ansteigen. Allerdings zeigt eine Veröffentlichung in "Science" vom letzten Jahr, wie die Kohlenstoffsenke in den Jahren 2000 bis 2005 wieder an Effektivität gewinnen konnte. Le Quéré ist sich nicht sicher, ob die Absorption als Rückkehr zur Normalität oder als Abweichung von der Langzeitschwächung der Senke zu sehen ist. Eigentlich wisse man nur, dass der Südpazifische Ozean wesentlich unbeständiger sei als bisher gedacht.

Die Bojen des SOCCOM-Projekts werden den Forschern hoffentlich bei diesen Fragen weiterhelfen, auch wenn es noch Jahre dauern könnte, bis Genaueres zu den Veränderungen bekannt wird. In den Augen von Le Quéré können die neuen Bojen aber nicht ausreichend Details liefern. Erst im Juli dieses Jahres gab sie zu bedenken, dass Modelle zur Kohlenstoffaufnahme im südlichen Polarmeer stark davon abhängig sind, welche Annahmen über das dortige Nahrungsnetzwerk gemacht werden. Bessere Klimaprojektionen ließen sich aber nur mit umfassenderen Informationen zur Blütezeit des Phytoplanktons und Zooplanktons erstellen: "Ich glaube, das ist die nächste Hürde."

Wohin verschwindet die Wärme?

Doch es geht nicht nur um den Kohlenstoff im Südpolarmeer. Wissenschaftler wollen auch herausfinden, was mit der absorbierten Wärme überhaupt geschieht. Der südliche Ozean ist Ausgangspunkt für ein Netzwerk von Strömungen, die Wasser, Wärme und Nährstoffe durch die Meeresbecken schieben. In der Nähe der Antarktis wird das Oberflächenwasser normalerweise so kalt und dicht, dass es zum Boden des Ozeans sinkt und Tiefseeströmungen antreibt. Diese streichen dann über den Meeresboden, während sie gen Norden in den Pazifik, Atlantik und den Indischen Ozean ziehen.

Die Wissenschaftler ziehen viele Erkenntnisse aus Daten, die seit den frühen 1990er Jahren etwa alle zehn Jahre von Schiffen erhoben werden. Dabei stellten sie 2010 fest, dass sich das Tiefenwasser deutlich erwärmt hatte – das Wasser hatte bisher etwa zehn Prozent der überschüssigen Wärme aus dem globalen Temperaturanstieg absorbiert.

Das Ausmaß der Erwärmung der Tiefsee überraschte die Forscher aber. Sie fanden dafür verschiedene Erklärungen, alle irgendwie mit Fokus auf dem Südpolarmeer. Beispielsweise wurde das Oberflächenwasser um die Antarktis herum immer salzärmer, nicht zuletzt wegen eines Anstiegs der sommerlichen Regenfälle über dem Ozean. Salzärmeres Oberflächenwasser hat eine geringere Dichte und könnte die Zufuhr von kaltem Wasser unterdrücken, das eigentlich auf den Meeresboden sinken und die Bodenströmungen beliefern sollte. "Das Wasser in der Tiefe erwärmt sich, weil es nicht genügend Nachschub von Kaltwasser erhält", erklärt der Ozeanograf Gregory Johnson von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in Seattle im Bundesstaat Washington, der auch Koautor der Analyse von 2010 war.

Auch eine noch nicht veröffentlichte Studie kommt zu diesem Schluss und stützt sich dabei auf neue Daten der dritten Beobachtungsrunde vom Schiff aus. Für ein genaueres Bild brauchen die Forscher aber mehr Daten aus häufigeren Messungen, was vielleicht mit einem geplanten internationalen Projekt möglich wird. Es heißt Deep Argo und umfasst eine Reihe von Bojen, die regelmäßig bis zum Meeresboden abtauchen sollen. Johnson gehört einem amerikanischen Konsortium an, welches 13 solcher Bojen in einem Becken vor der Küste Neuseelands und neun weitere südlich von Australien testet. Andere Forscher wollen die Tiefwasserströme mit Hilfe von verankerten Stationen beobachten. Seit 1999 betreut Gordon eine Reihe davon im Weddell-Meer, eine der Hauptregionen, in der das kalte Oberflächenwasser absinkt und Meeresbodenströmungen formt. Wie die Wissenschaftler herausfanden, wurde das Tiefseewasser in einigen Gebieten im Laufe der Zeit immer salzärmer; die Langzeittrends sind aber noch nicht eindeutig. "Wir fangen gerade erst an, langsam zu verstehen, wie sich das Bodenwasser verändert und wie das die gesamte globale Meereszirkulation beeinflusst", sagt er.

Entlang der Kante

Im Januar 2015 bestiegen Ozeanografen den australischen Eisbrecher "Aurora Australis" und kreuzten vor der antarktischen Küste. Dabei bot sich ihnen eine einmalige Gelegenheit. Sie folgten einem Riss im Meereseis und erreichten den Rand des Totten-Gletschers, einem der größten Abflusspunkte für die ostantarktische Eisschicht. Keine andere Expedition kam je so dicht – bis auf 50 Kilometer – an den Gletscher heran.

Seevögel kreisen vor Südgeorgien über dem Meer
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Das Südpolarmeer ist biologisch sehr produktiv und liefert die Nahrungsbasis für Millionen Seevögel und Meeressäuger. Zugleich entzieht es der Atmosphäre noch gigantische Mengen Wärmeenergie und Kohlenstoff.

Die Vorderseite des Gletschers ist 200 Meter dick; unten und außen herum konnte das Team Bojen und Gleiter im Wasser verteilen. Die Ergebnisse waren schockierend. Das Wasser war auf der Vorderseite des Gletschers drei Grad Celsius wärmer als der Punkt an der Basis des Gletschers, wo das Wasser gefriert. "Wir dachten immer, der Totten sei so weit vom warmen Wasser entfernt und würde nicht darauf reagieren. Nun haben wir aber im gesamten Schelf warmes Wasser gefunden", berichtet der Ozeanograf Steve Rintoul vom Antarctic Climate and Ecosystems Cooperative Research Centre in Hobart in Australien.

Andere hatten schon zuvor festgestellt, wie Warmwasserströmungen die westantarktische Eisschicht in vielen Gegenden entlang der Halbinsel untergraben, genau dort, wo die Gletscher in den Ozean hineinragen. Rintouls Expedition konnte aber nun erstmals zeigen, dass der gleiche Prozess auch die östliche Antarktis beeinflusst. Damit ist die Lebensdauer der gigantischen Eisschichten, die den ganzen Kontinent bedecken, wieder fraglich.

Bislang ist auch unklar, was für die Erwärmung dieser nahen Oberflächenströmungen verantwortlich ist. So mancher nennt die Veränderungen der Winde über dem Südpolarozean und das Aufsteigen warmen Wassers. Andere konzentrieren sich auf das frische Oberflächenwasser und die Expansion des Meereises in verschiedenen Regionen. Die Kombination von zusätzlichem Meereis und frischem Oberflächenwasser könnte eine Art Kappe auf dem Meer bilden, die Teile des warmen, aufsteigenden Wassers in Richtung Küste drängt.

"Irgendwie hat jeder seine bevorzugte Erklärung, ich natürlich auch. So funktioniert halt nun einmal Wissenschaft: Je mehr man beobachtet, desto komplizierter wird es", schließt Gordon. Für die Suche nach Antworten müsste man vielleicht auch einige der ständigen Bewohner der Antarktis einbeziehen. Merediths Team vom British Antarctic Survey möchte beispielsweise Weddellrobben mit Sensoren ausstatten. Die Tiere könnten dann Messwerte unter der Meeresoberfläche sammeln, während sie unter dem Meereis entlang des Kontinentalsockels nach Futter suchen. Diese Zone ist besonders wichtig, weil genau dort das kalte Wasser in die Tiefe sinkt.

"Die Prozesse in dieser Region sind äußerst wichtig für die ganze Welt – sie lassen sich aber nur schwer messen. Mit den Robben könnten wir unsere bisherigen Grenzen überschreiten", erklärt Meredith. Die Meeressäuger sind nur ein Teil des modernen Instrumentariums bei Exkursionen. Das Team will auch autonome Gleiter auf vorprogrammierten Routen unter das Meereis schicken und so Daten über Temperatur und Salzgehalt bis zu einer Tiefe von 1000 Metern sammeln. Zusammen mit Messungen vom Schiff aus sollen sie das Bild darüber vervollständigen, was in dieser bedeutsamen antarktischen Region passiert und in welchem Zusammenhang dies mit dem Rest der globalen Meereszirkulation steht.

Das Sammeln der Daten reicht aber noch nicht aus. Letztlich benötigen Wissenschaftler bessere Modelle, um den Transport von Wärme, Kohlendioxid und Nährstoffen um den Globus herum besser vorhersagen zu können. Bis dahin ist es aber trotz immer besser werdender Messmethoden noch ein weiter Weg. Nach den von Schiffen erhaltenen Daten erfolgt das Aufsteigen des Meereswassers, das Upwelling, nicht nach einem einfachen Muster. Vielmehr wirbelt es zunächst anderthalb Mal um den Kontinent, bevor es die Oberfläche erreicht. Laut Sarmientos Team aus Princeton ließe sich dieses Verhalten auch nur anhand von Modellen mit höchster Auflösung genau berechnen. Es wird sicherlich noch eine Weile dauern, bis Computermodelle die Prozesse in der Region gut simulieren können – Sarmiento ist sich aber sicher, dass der Tag kommen wird.

Russell sieht schon, wie sich der Schleier über dem Geheimnis des Südpazifischen Ozeans langsam lüftet. Nachdem sie 1994 von ihrer ersten Fahrt zurückgekehrt war, beschäftigte sie sich selbst erst einmal mit Möglichkeiten der Simulation – die Daten als solche reichten nämlich nicht aus, um den Effekt des Upwellings irgendwie zu beziffern. Heute nutzt ihr beides: Sie leitet den Simulationsteil des SOCCOM-Projekts und bekommt mehr Daten, als sie jemals zu träumen gewagt hätte.

"Für einen Ozeanografen ist es eine großartige Zeit – auch wenn es sich um beängstigende geophysikalische Prozesse auf unserem Planeten handelt", sagt sie.