Forscher untersuchen Ursachen und Wirkungen

Marine Hitzewellen – Perioden, in denen sich die oberen Wasserschichten im Meer vorübergehend außergewöhnlich stark erwärmen – treten weltweit immer häufiger auf. Aktuelle Untersuchungen des Leibniz-Instituts für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) bestätigen diesen Trend nun auch für die Ostsee. Die erste Studie ist veröffentlicht im Journal Klimadynamik.

IOW-Forscher analysierten sehr große meteorologische und hydrografische Datensätze und identifizierten die spezifischen Wind- und Wetterbedingungen, die Hitzewellen in der Ostsee verursachen. Zudem analysierten sie erstmals, in welchem ​​Ausmaß Hitzewellen den Boden der Ostsee erreichen und fanden heraus, dass sie selbst in normalerweise gut belüfteten Küstengewässern zu starkem Sauerstoffmangel führen können.

Dass sich das globale Klima aufheizt, ist deutlicher denn je – und scheinbar unaufhaltsam: Allein in diesem Jahr wurden in jedem Monat die bisherigen Rekordtemperaturen übertroffen und erst kürzlich, am 21. Juli, meldete der europäische Copernicus-Klimadienst den wärmsten Tag, der jemals auf der Erde gemessen wurde. Auch vor den Ozeanen macht die Erderwärmung keinen Halt, und insbesondere die Ostsee gehört zu den sich am schnellsten erwärmenden Meeresgebieten der Welt: Sie hat sich in den letzten dreieinhalb Jahrzehnten um mehr als 1 °C erwärmt.

Neben der allgemeinen Ozeanerwärmung sind marine Ökosysteme auch von marinen Hitzewellen betroffen. Dabei handelt es sich um begrenzte Zeiträume, in denen die Temperatur der oberen Wasserschichten für mindestens fünf Tage einen für die jeweilige Region und Jahreszeit typischen Schwellenwert überschreitet. Im letzten Jahrhundert haben solche Hitzewellen weltweit zugenommen: Eine internationale Studie zeigt, dass sie seit 1925 häufiger auftraten und länger anhielten, was zu über 50 % mehr marinen Hitzewellentagen pro Jahr führte.

„Im globalen Maßstab ist das Phänomen der ozeanischen Hitzewellen bereits recht gut untersucht. Bislang fehlten allerdings Untersuchungen auf regionaler Ebene oder Untersuchungen, die sich speziell mit den Bedingungen der flachen Randmeere befassen“, erklärt Markus Meier, Ostseeklimaexperte am IOW.

„Wir wollten daher wissen, was genau die Entstehung von Hitzewellen in der Ostsee begünstigt und welche Auswirkungen sie haben können“, sagt Meier, der gemeinsam mit einer IOW-Forschergruppe, die sich auf die Dynamik regionaler Klimasysteme spezialisiert hat, Hitzewellen in der Ostsee untersucht.

Meier und sein Team analysierten riesige meteorologische Datensätze des Europäischen Meteorologischen Zentrums aus über drei Jahrzehnten und integrierten diese in hochauflösende Ozeanmodelle. Sie identifizierten markante Merkmale in den großen Luftdruckmustern und Windsystemen über dem Nordatlantik und Europa, die zu Hitzewellen in der Ostsee führen.

„In den Sommermonaten sind es die stabilen Hochdruckgebiete über Skandinavien, die für Hitzewellen sorgen – nicht nur wegen der starken Sonneneinstrahlung und der hohen Lufttemperaturen, sondern vor allem wegen der unter diesen Bedingungen außergewöhnlich schwachen Winde“, sagt Meier. „Letzterer verhindert, dass sich das sich zunehmend erwärmende Oberflächenwasser mit kaltem Wasser aus der Tiefe vermischt und es so zu einem Hitzestau in den oberen Wasserschichten kommt.“

Auch im Winter kann es an der Ostsee zu Hitzewellen kommen. „Sie entstehen immer dann, wenn starke, anhaltende Westwinde warme, feuchte Luftmassen vom Atlantik nach Europa transportieren und die Ostsee dadurch nicht so stark abkühlt wie sonst zu dieser Jahreszeit“, erklärt Klimaexperte Meier.

Solche warmen, anhaltenden Winterwinde entstehen, wenn sich über dem Atlantik ein besonders hoher Luftdruckunterschied zwischen dem Islandtief und dem subtropischen Hochdruckgürtel aufbaut. „Dass der Atlantik unser Klima über Europa beeinflusst, ist bekannt. Dass er aber auch für Extremereignisse wie winterliche Hitzewellen in der Ostsee sorgt, ist neu“, sagt Meier.

Der in der Studie ausgewertete Datensatz über den Zeitraum von 1980 bis 2016 zeigt zudem, dass sowohl sommerliche als auch winterliche Hitzewellen in der Ostsee häufiger werden, länger andauern und immer größere Gebiete betreffen.

„Ob diese Verstärkung auf den Klimawandel allgemein oder auf natürliche Variabilität im Klimasystem zurückzuführen ist – oder auf beides zusammen – wissen wir noch nicht. Aber das ist Gegenstand weiterer Forschung“, resümiert Markus Meier.

Erschienen in Kommunikation Erde & Umweltein anderer aktuelle Studie Dass Hitzewellen in der Ostsee kein bloßes statistisches Phänomen sind, sondern erhebliche Auswirkungen auf lebenswichtige Umweltparameter haben können, zeigt eine Studie des IOW. Die IOW-Forscher um Meier analysierten Modelldaten aus fünf Jahrzehnten (1970 bis 2020) des europäischen Copernicus-Dienstes zur Überwachung der Meeresumwelt. Die Daten berücksichtigen in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung eine Vielzahl von Parametern, die für Temperatur- und Stoffaustauschprozesse in der Ostsee von Bedeutung sind.

Das Forschungsteam untersuchte zudem erstmals, inwieweit sich sommerliche Hitzewellen in tiefere Gewässer ausbreiten, mit besonderem Augenmerk auf die flachen Küstenbereiche der Ostsee, die normalerweise als dauerhaft gut „durchlüftet“ und daher robust gegen Sauerstoffdefizite gelten.

Die Ergebnisse dieser Studie waren überraschend und alarmierend. „Unsere Analysen haben gezeigt, dass Hitzewellen im Sommer oft bis in eine Wassertiefe von rund 20 Metern bis zum Meeresboden reichen und dort den Sauerstoffgehalt des Wassers lokal um bis zu 3 ml/Liter reduzieren können“, sagt Meier. Das ist erheblich, denn die sommerlichen Sauerstoffkonzentrationen können am Meeresboden in Küstennähe generell recht niedrig sein und mittlerweile teilweise unter 2 ml/Liter sinken.

„Das ist die kritische Schwelle, unterhalb derer für höher entwickelte Organismen wie Muscheln, Würmer, Krebse und Fische kein Leben mehr möglich ist“, erklärt Meier. Die sauerstoffarmen Bereiche am Meeresgrund liegen zudem zunehmend oberhalb der stabilen Thermokline, die sich in der Ostsee im Sommer in etwa 20 Metern Wassertiefe bildet und oberhalb derer normalerweise windgetriebene Durchmischung für ausreichend Belüftung sorgen sollte.

„Da die Ostsee zu den sich am schnellsten erwärmenden Regionen der Weltmeere gehört, besteht ein hohes Risiko, dass marine Hitzewellen zusammen mit einer weiteren Klimaerwärmung zunehmend zu kritischen Sauerstoffdefiziten für die Bodenfauna führen. Dies hätte weitreichende Folgen für das gesamte Ökosystem“, folgert Ostsee-Klimaforscher Meier.