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Meddies - Wirbel aus Mittelmeerwasser im Ostatlantik

Salzreiches Wasser, das durch die Straße von Gibraltar aus dem Mittelmeer in den Atlantik strömt, wird dort verwirbelt und driftet teilweise als rotierende Salzlinse in etwa 1000 Meter Tiefe manchmal mehr als zwei Jahre lang bis zu 1000 Kilometer weit, ehe es sich endgültig mit dem Atlantikwasser vermischt.


Bereits im 17. Jahrhundert beschäftigten sich Wissenschaftler mit dem Wasseraustausch zwischen Mittelmeer und Atlantik durch die Straße von Gibraltar. In Seefahrtskreisen war bekannt, daß ein starker Einstrom aus dem Atlantik die Durchfahrt in westlicher Richtung erschwerte. Unklar blieb damals allerdings, wie sich das Mittelmeer dieses ununterbrochen zufließenden Wassers wieder entledigt. Man nahm zunächst an, daß ein großer Teil verdunste und möglicherweise ein noch unentdeckter Ausstrom vorhanden sei.

Heute wissen wir, daß die Verdunstung bei weitem nicht ausreicht, den Zufluß aus dem Atlantik zu kompensieren. Die einströmende Wassermenge von einer Million Kubikmeter pro Sekunde würde den Spiegel des Mittelmeeres pro Jahr um zehn Meter steigen lassen. Nach neueren Schätzungen verdunsten davon nur 4 Prozent; der Rest muß in den Atlantik zurückfließen (der viel kleinere Wassereintrag durch Flüsse und der Austausch mit dem Schwarzen Meer sind demgegenüber zu vernachlässigen). Dies geschieht durch einen starken Unterstrom über die Schwelle von Gibraltar hinweg.

Angetrieben wird der Wasseraustausch in der Straße von Gibraltar durch den Dichteunterschied zwischen Atlantik- und Mittelmeerwasser. Weil die mittlere Verdunstungsrate über dem relativ warmen Mittelmeer größer ist als über dem Atlantik, ist Mittelmeerwasser salzhaltiger und wiegt pro Kubikmeter etwa zwei Kilogramm mehr als Atlantikwasser an der Oberfläche. Es sinkt also unter dem Einfluß der Schwerkraft auf der westlichen Seite der Schwelle von Gibraltar in das Atlantikbecken ab, bis es in einer Tiefe von rund 1000 Metern das ihm entsprechende Dichteniveau erreicht (wegen der abnehmenden Temperatur nimmt die Dichte von Meerwasser mit der Tiefe zu); zum Ausgleich dafür strömt an der Oberfläche spezifisch leichteres Atlantikwasser ins Mittelmeer (Bild 1).

Da der Atlantik seit vielen tausend Jahren auf diese Weise salzreiches Wasser aufnimmt, existiert eine sogenannte Mittelmeerwasserzunge, in der im Tiefenbereich zwischen 700 und 1400 Metern der Salzgehalt ein relatives Maximum hat. Die Salzgehalte innerhalb dieser Zunge verringern sich mit zunehmender Entfernung von der Quelle im Golf von Cadiz.

Entdeckung und Beobachtung der Meddies


Vor gut zehn Jahren erregten Messungen im Kanarenbecken zwischen Madeira und den Azoren Aufsehen, bei denen in isolierten tiefen Wirbeln Wasser nachgewiesen wurde, dessen Salzgehalt typisch für den Golf von Cadiz war. Es mußte demnach nahezu unvermischt über viele hundert Kilometer transportiert worden sein. Diese erstaunliche Tatsache wurde seither durch zahlreiche unabhängige Befunde bestätigt und hat die Sicht der horizontalen Vermischung im Meer wesentlich verändert.

Die tiefen Wirbel wurden Meddies genannt (abgekürzt für englisch Mediterranean water eddies, Mittelmeerwasser-Wirbel). Wie eingehende Untersuchungen ergaben, steigen Salzgehalt und Temperatur in Richtung Wirbelkern sprunghaft an (Bild 2 links). Außerdem kreisen die Wassermassen darin bis zu 50mal schneller um den Kern, als sie sich außerhalb des Wirbels bewegen. Solche Bereiche hoher Bewegungsenergie müssen durch eine besondere dynamische Balance gegen Störungen von außen gefeit sein.

Amerikanischen Forschern ist es Mitte der achtziger Jahre erstmals gelungen, den Kern eines Meddies mit Unterwasserdriftkörpern zu markieren und über mehrere Jahre zu verfolgen. Er bewegte sich von Madeira aus an den Kanarischen Inseln vorbei bis zu den Kapverden. Seither haben mehrere Forschergruppen viele andere Wirbel auf ihrer Wanderung verfolgt (Bild 2 rechts).

Zur Langzeitbeobachtung von Meddies wurde am Institut für Meereskunde an der Universität Kiel mit finanzieller Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft die RAFOS-Methode eingeführt – ein akustisches Ortungsverfahren, mit dem sich frei driftende Meßbojen im Ozeaninneren über Wochen und Monate verfolgen lassen. Die RAFOS-Floats oder -Schwebekörper (Bild 4) werden mit Zusatzgewichten derart beschwert, daß sie nach ihrem Aussetzen bis in ein ausgewähltes Tiefenniveau der Mittelmeerwasserzunge oder in einen Meddy sinken und dort gewichtsneutral werden. In diesem Schwebezustand werden sie von der Strömung oder vom rotierenden Meddy mitgeführt.

Damit sich ihre Bahnen später ermitteln lassen, zeichnen die Floats dreimal täglich die Eintreffzeiten von codierten Schallsignalen auf. Dies erklärt auch den Namen der Methode: Sie ist nämlich gewissermaßen die Umkehrung des früher entwickelten SOFAR-Verfahrens ( nach englisch sound fixing and ranging, akustisches Orten und Verfolgen), bei dem der Schwebekörper durch von ihm selbst ausgesendete Signale seine Position verriet. Am vorgesehenen Ende der Unterwassermission löst sich ein Ballastgewicht, so daß die Boje zur Oberfläche aufsteigt. Dort sendet sie ihre Meßdaten über eine Satelliten-Funkverbindung an eine Bodenstation.

Inzwischen wissen wir von mehreren Expeditionen, daß Meddies im Iberischen und im Kanarenbecken keineswegs selten sind. Am Ausgang des Golfs von Cadiz und vor der portugiesischen Südwestküste dürften sich jährlich fast ein Dutzend solcher Wirbel bilden. Je nach Entstehungsgeschichte und Alter schwanken ihr horizontaler Durchmesser zwischen 50 und 100 Kilometern und ihre Mächtigkeit zwischen einigen hundert Metern und gut einem Kilometer. Wegen dieser abgeflachten Form und des erhöhten Salzgehaltes spricht man auch von Salzlinsen. Meddies können einige Wochen und Monate, teils sogar mehr als zwei Jahre überdauern. Das Verschmelzen von zwei Meddies zu einem stabilen Wirbel wurde ebenso beobachtet wie der Zusammenstoß eines Meddies mit einer untermeerischen Kuppe und sein anschließender Zerfall.

Meddies tragen vermutlich entscheidend zur Verbreitung der konzentrierten Mittelmeersole über den gesamten Nordatlantik bei. Im Augenblick ihres Zerfalls stellen sie zufällig verteilte Solequellen dar, die viele hundert Kilometer von der Straße von Gibraltar entfernt liegen können. Statt durch eine gleichmäßige Diffusion breitet sich das maritime Salz der Meddies also in erratischen Schüben über den Atlantik aus.

Gründe der Drift


Über die Ursachen der Meddy-Wanderung gibt es unterschiedliche Theorien. Oft wird angenommen, daß die Wirbel einfach von der langsamen Hintergrundströmung mitgenommen würden. Dagegen haben wir einen Selbstpropeller-Mechanismus postuliert, der die Meddies unabhängig ihre Bahn ziehen läßt. Er sei hier kurz skizziert.

Nach dem Ausstrom bei Gibraltar breitet sich das Mittelmeerwasser zunächst westwärts aus. Dabei wird es von der Corioliskraft, die von der Erdrotation herrührt und auf der Nordhalbkugel der Erde jede Bewegung nach rechts (in Bewegungsrichtung betrachtet) ablenkt, gegen den iberischen Kontinentalhang gedrückt und bildet, wie neuere Messungen mit den Kieler Forschungsschiffen "Poseidon" und "Alkor" bestätigten, einen Strahlstrom an diesem Hang entlang. Beim Kap St. Vinzent an der Südwestspitze Portugals biegt der Unterstrom dann nach Norden ab, zwängt sich durch die tiefe Passage zwischen dem Kap und der Gettysburg Bank und folgt dem Kontinentalhang in Richtung der Tejomündung westlich von Lissabon.

Schiebt sich allerdings Nordatlantikwasser zwischen die Küste und den Mittelmeerwasserstrom, bilden sich rechtsdrehende (im Uhrzeigersinn rotierende) Wirbel. Das Phänomen ähnelt im Prinzip der Bildung von Hoch- und Tiefdruckwirbeln in der Atmosphäre, die dichtere Linse aus Mittelmeerwasser entspricht dabei einem Hochdruckgebiet.

Nachdem sich ein solcher Wirbel vom Kontinentalhang abgelöst hat, gilt für ihn das Gesetz der Erhaltung des Gesamtdrehimpulses. Zur Demonstration dieses Gesetzes drückt man im Physikunterricht gewöhnlich einer Person auf einem Drehstuhl einen rotierenden Kreisel in die Hand. War der Drehstuhl vorher in Ruhe, muß die Summe aller Drehmomente danach ebenfalls null sein. Dies ist der Fall, solange die Kreiselachse senkrecht zur Rotationsachse des Stuhls – also horizontal – ausgerichtet ist. Wird der Kreisel jedoch in die Vertikale gekippt, fängt der Stuhl zur Kompensation der Kreiseldrehung in entgegengesetzter Richtung zu rotieren an.

Auf die Meddies übertragen, entspricht der Kreisel dem Wirbel und der Drehstuhl der rotierenden Erde; auf der Höhe des Golfs von Cadiz steht die Rotationsachse des Wirbels schräg zu derjenigen der Erde (am Äquator stünde sie senkrecht und am Pol parallel dazu). Wegen der viel größeren Masse der Erde ist es in dieser Situation nun allein der Wirbel, der seine Achse so ausrichten muß, daß die Drehmomentsumme erhalten bleibt. Ein Kippen der Wirbelachse entspricht aber einer Wanderung nach Süden oder Norden.

Bei einem rechtsdrehenden Wirbel ist die Gesamtwirbelstärke anfangs kleiner als die planetarische. Verliert er Rotationsenergie, etwa durch Energieabstrahlung in Form von Wellen, so muß eine Drift zu verringerter planetarischer Wirbelstärke – also in Richtung Äquator – einsetzen. Computersimulationen, die einer von uns (Käse) durchgeführt hat, bestätigen diese Vorstellungen (Bild 3).

Obwohl moderne meßtechnische Methoden wie der Einsatz von Driftkörpern die Meddy-Forschung sehr vorangebracht haben, verwundert es, daß die Mittelmeerwasser-Linsen erst zu Beginn der achtziger Jahre entdeckt wurden. Der Verdacht drängt sich auf, daß frühere Beobachter die gelegentlich festgestellten hohen Abweichungen von Salzgehalt und Temperatur im Nordostatlantik bei etwa 1000 Metern Tiefe für Fehlmessungen hielten und solche vermeintlichen Ausreißer vor der Ablieferung in Datenzentren tilgten.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 1993, Seite 29
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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