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Ozeanografie: Meermischen durch Mitschwimmen

Eine Gleichung muss ziemlich kompliziert sein, wenn mit ihr berechnet werden soll, wie stark Meeresströmungen oder Stürme die Wasserschichten des Ozeans durchmischen - und damit auch Nährstoffe, Gifte oder Treibhausgase. Ein wichtiger Faktor blieb zudem bisher eine unbekannte Größe: Meeresbewohner, die beim Hin- und Hertauchen im Wasser herumwirbeln.
<i>Mastigias</i>-Quallen
Unser blauer, zu zwei Dritteln mit Wasser bedeckter Planet formt seine Lebewesen: In Jahrmillionen der Evolution veränderten Ozeane die in ihnen lebenden Tiere und Pflanzen, zwangen sie zur Anpassung an Brandung, Strömungen und Gezeiten, an Temperatur und salzig-chemische Zusammensetzung. Es wird eine ganze Weile dauern, bis Meeresbiologen alle spannenden Antworten aufgeschrieben haben, die dem Leben angesichts der Herausforderungen des Ökosystems Meer eingefallen sind. Zeit genug, fanden John Dabiri und Kakani Katija vom California Institute of Technology, um zwischendurch auch einmal die Blickrichtung zu ändern und sich umgekehrt zu fragen, wie stark eigentlich das Leben im Ozean seine Umgebung beeinflusst. Zum Beispiel dadurch, dass es einfach nur herumschwimmt.

Die Frage ist nicht ganz neu: Schon vor einem Jahrhundert hatten sich Forscher gefragt, ob wohl der vielmilliardenfach pro Sekunde weltweit dauernd ablaufende Flossen-, Fluken-, Geißel- und Tentakelschlag der Meeresorganismen nennenswert dazu beiträgt, das Wasser zu durchmischen. Eine Antwort wäre auch heute noch interessant für Ozeanografen, Klimaforscher und andere Kollegen: Ihre Modelle zur Durchmischung der tieferen und flacheren Wasserschichten sind noch ärgerlich provisorisch. Natürlich spielt der Wind eine Rolle bei der Verwirbelung des Oberflächenwassers – gerade was aber in größeren Tiefen geschieht, die die oben wütenden Stürme kaum beeinflussen, ist nur lückenhaft bekannt.

Wahrscheinlich allerdings, so peilten Ozeanografen seit Jahrzehnten grob über den Daumen, sei der Einfluss von tauchenden Tieren auf den Wasseraustausch nicht allzu groß. Als Anhaltspunkt für ihre Überschlagsrechnung dienten ihnen dabei strömungsmechanische Regeln, die letztlich darauf hinausliefen, dass kleine Flossenschläge wegen der recht großen Viskosität des Meerwassers nie zu sehr weit auslaufenden Strömungen führen, sondern nach kurzer Strecke in sich zusammenbrechen: Die Bewegungsenergie der verwirbelten Wassermoleküle verwandelt sich durch die Reibung mit vielen nahen Nachbarteilchen rasch in Wärme. Der Ozean, so die Schlussfolgerung, wird durch herumschwimmende Tiere vielleicht unmerklich angeheizt, nicht aber gequirlt. Falsch, finden Dabiri und Katija nun – denn ein Mechanismus ist dabei vernachlässigt worden: die Darwin-Durchmischung.

Mastigias-Qualle in Farbstoffwolke | Die Forscher beobachteten nachts Mastigias-Quallen, denen sie fluoreszierende Farbstoffe in den Schwimmweg gespritzt hatten.
Der nach Charles Darwin Jr. – dem Sohn des berühmten Evolutionsforschers – benannte Mechanismus beschreibt einen mitreißenden Vorgang, der bei der Bewegung von Körpern in Flüssigkeiten zu beobachten ist. Der Körper – ein Schiffsrumpf, eine Haischnauze oder der Schirm einer Qualle – verdrängt das Wasser zum Teil zur Seite; größere Wasserportionen werden aber gleichzeitig mit dem vorwärtsdrängenden Körper mitezogen. Eine aus kaltem, tiefem Wasser in wärmere, oberflächennahe Schichten aufsteigende Qualle wird zum Beispiel auf Grund dieses Phänomens immer auch Wasser von unten nach oben mitführen – nicht durch Tentakelschlag, sondern durch dauernde Darwin-Durchmischung.

Davon wollten sich die Wissenschaftler zunächst ein etwas weniger theoretisches Bild machen. Unter lebensnahen Bedingungen filmten sie daher schwimmende Quallen und spritzen ihnen Farbstoffwolken in den Weg. Live und in Farbe sowie später auf den Aufnahmen war tatsächlich gut zu erkennen, dass stets große farbstoffhaltige Flüssigkeitstaschen von den Quallen über erstaunlich weite Strecken mitgenommen wurden – ein eindrucksvoller visueller Beleg für das offensichtlich unterschätzte Ausmaß der Darwin-Durchmischung.

© K.Katija/J.Dabiri
Reißt Farbstoffwolke mit: Schwimmende Mastigias-Qualle
Reißt Farbstoffwolke mit: Schwimmende Mastigias-Qualle
Das wollten Dabiri und Katija nun genauer haben. Sie formulierten eine komplexe strömungsmechanische Gleichung, in der unter anderem physikalische Gesetzmäßigkeiten wie das stokessche Gesetz zur Beschreibung von Widerstandskräften gegen bewegte Körper, die Froude-Zahl zur Berechnung von Bewegungen von Flüssigkeitsoberflächen, viele Variablen zur Berücksichtigung von Dichte, Geschwindigkeit, Viskosität und einiges mehr eingingen.

Am Ende spuckte diese Gleichung dann ein eindeutiges Ergebnis aus: Mit ihrer hohen Schwimmeffizienz sorgen die sich im Meer tummelnden Lebewesen für eine eindrucksvolle "biogene Ozean-Durchmischung". In Zahlen: Der durch den Mechanismus ins Wasser gepumpte "globale Energie-Input erreicht bis zu einer Billion Watt", so Dabri. Dies entspreche in etwa der Energiemenge, die auf Grund von Winden und Tiden weltweit wirken. Beteiligt sind daran alle beweglichen Organismen der Meere von einem Millimeter bis zehn Meter Länge und einem Gewicht zwischen zehn Milligramm und drei Tonnen.

Also tatsächlich – die Lebewesen des Meeres verändern ihre Ozeanumwelt. Die Zahlen, so Dabiri, seien zudem recht konservativ geschätzt: Wahrscheinlich sorgen in Schwärmen schwimmende Tiere für höhere Durchmischungsraten. Um ein noch realistischeres Modell zu erstellen, sollten zudem die Darwin-Durchmischungseffekte berechnet werden, die durch passiv zu Boden sinkende Partikel anfallen: Kotpartikel und der "marine Schnee" aus organischer Materie dürften schließlich ebenfalls etwas Wasser in die Tiefe mitziehen. All dies müsse in Zukunft in Modellen der Ozeanbewegungen berücksichtigt werden, die etwa zur Berechnung von Klimaszenarien herangezogen werden. Wie schnell Stoffe vom Ozeanboden zu seiner Oberfläche gelangen, beeinflusst schließlich den Kohlenstoffkreislauf stark – und damit auch den Treibhausgaseintrag in die Atmosphäre.

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  • Quellen
Katija, K. & Dabiri, J.O.: A viscosity-enhanced mechanism for biogenic ocean mixing. In: Nature 460, S. 624–626, 2009.

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