Modellstudie zum Wärmesammler Südozean – und mögliche „Wärmerülpser“ in der Zukunft

(openPR) Dass die menschlichen Emissionen die Erde in ein Energie-Ungleichgewicht gebracht haben, wird am deutlichsten im Ozean spürbar: Die gewaltigen Wassermassen haben seit Beginn der Industrialisierung mehr als 90 Prozent der überschüssigen Wärme aufgenommen, die durch den Treibhauseffekt nicht zurück ins All abgestrahlt werden konnte. Dadurch hat der Ozean die Erwärmung der Atmosphäre erheblich abgepuffert.

„Der Ozean ist ein unglaublich großer Wärmespeicher, und er hat uns bisher geholfen, die Erwärmung der Atmosphäre abzufedern“, sagt Dr. Ivy Frenger, Leiterin des ERC-Starting-Grant-Projekts OSTIA (The ocean’s role in mitigating climate change) am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. In einer Modellstudie hat sie mit ihrem Team untersucht, wie der Ozean reagieren würde, wenn wir es schafften, das Emittieren von Treibhausgasen zu beenden und die globalen Durchschnitts¬temperaturen durch CO2-Entnahme aus der Atmosphäre wieder gesenkt würden. Das Ergebnis: Nach Jahrhunderten der atmosphärischen Abkühlung könnte Wärme, die sich im tiefen Südozean angesammelt hat, in einer Art ,Rülpser‘ wieder freigesetzt werden und zu einer erneuten Erwärmung der Atmosphäre führen.

Rückkopplungen verstehen und ihre Effekte abschätzen

Frenger: „Im Moment ist überhaupt nicht absehbar, dass die CO2-Emissionen so schnell gesenkt und dann dauerhaft Netto-Negativemissionen erreicht werden. Aber natürlich wollen wir wissen, was passiert, wenn unsere starke menschliche Störung der CO2-Emission wegfällt, wenn wir ,Netto-Null-CO2-Emissionen‘ erreichen oder es sogar schaffen, atmosphärische CO2-Konzentrationen durch CO2-Entnahme wieder auf präindustrielle Werte zu reduzieren.“

Beobachtungsdaten zeigen, dass sich der Ozean seit mindestens den 1950er-Jahren in beispiellosem Maße erwärmt hat. Die Jahre 2012 bis 2024 markieren die bislang wärmste Periode. Diese Erwärmung betrifft nicht nur die Meeresoberfläche, sondern durchzieht weite Teile der Wassermassen des Ozeans. Wärme, die im tiefen Ozean gebunden ist, macht eine langfristige Erwärmung der Erde unausweichlich, da tiefe Ozeanwasser erst nach Jahrhunderten bis Jahrtausenden wieder an die Ozeanoberfläche zurückkehren.

Frenger: „Wir wollen auf jeden Fall aufhören, Treibhausgase zu emittieren, da sonst die Temperatur in der Atmosphäre steigt und sich noch mehr Wärme im Ozean sammelt. Aber wir sollten auch wissen, wie das Klimasystem in diesem Fall reagiert, Rückkopplungen verstehen und ihren möglichen Effekt abschätzen.“

Erdsystemmodell erlaubt Blick in eine mögliche Zukunft

Genau hier setzt die neue Studie an: Die Frage, was mit der angesammelten Wärme im Ozean passiert, wenn wir es schaffen, der Atmosphäre mehr Treibhausgase zu entziehen als auszustoßen, wurde bislang noch wenig untersucht.

Das Forschungsteam aus Kiel nutzte, um die Frage zu beantworten, ein Erdsystemmodell mittlerer Komplexität, das Klimamodell UVic v. 2.9 der University of Victoria. Es kombiniert Darstellungen des Ozeans, des Meereises und der Landvegetation mit einer vereinfachten Atmosphäre. „Dieses Modell ist zwar räumlich weniger detailliert als andere und bildet die Atmosphäre nur vereinfacht ab, da der Fokus auf dem Ozean und dem Kohlenstoffkreislauf liegt. Es ermöglichte uns aber, Zeiträume von Jahrhunderten bis Jahrtausenden zu simulieren“, sagt Frenger.

Die Forschenden simulierten ein idealisiertes Klimaszenario, das in der Klimamodellierung verwendet wird, um zu testen, wie das Erdsystem auf die Umkehr der menschengemachten Klimaerwärmung reagiert: Die Emissionen steigen kontinuierlich von Jahr zu Jahr, bis sich die CO2-Konzentration in der Atmosphäre nach 70 Jahren verdoppelt hat. Danach werden die Emissionen stark reduziert bis schließlich mehr CO2 aus der Luft entfernt, als ausgestoßen wird.

Plötzlicher Wärmeschub vom Ozean in die Atmosphäre nach Jahrhunderten der Abkühlung

Das Ergebnis ist überraschend ausgefallen: „Unsere Simulationen deuten darauf hin, dass das Südpolarmeer nach einer langen Abkühlungsphase die Wärme, die sich im Ozean während der Klimaerwärmung aufgestaut hat, gewissermaßen wieder ‚aufstoßen‘ könnte“, erklärt Frenger. Diese Wärmefreisetzung könnte über Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte anhalten – und die Temperaturen ähnlich stark ansteigen lassen, wie während der menschengemachten Erwärmung der vergangenen 150 Jahre.

Frenger erklärt: „Der Wärmesammler Südpolarmeer ist sozusagen das Auslassventil des globalen Ozeans – hier kann Wärme, die tief im Ozean gespeichert ist, irgendwann wieder entweichen. Das gilt nicht nur für die Wärme, die sich bereits im Südpolarmeer angesammelt hat, sondern auch für jene, die aus anderen Ozeanregionen über die großen Strömungssysteme dorthin transportiert wird. Der Südozean bietet also einen möglichen Pfad, über den die im Ozean gespeicherte Wärme wieder an die Oberfläche gelangt.“

Der tiefe Südliche Ozean als Schlüsselregion

Der Südliche Ozean rund um die Antarktis spielt eine Schlüsselrolle im Klimasystem der Erde. Er verbindet alle Ozeanbecken. Unter natürlichen, vorindustriellen Bedingungen wurde der Wärmeüberschuss, der sich in Äquatornähe durch die Sonneneinstrahlung ansammelt und in Richtung Südpol transportiert wird, dort wieder an die Atmosphäre abgegeben und letztlich ins All abgestrahlt. Die neue Studie von Frenger, Frey et al. legt nun nahe, dass diese Wärmeflüsse durch den menschengemachten Klimawandel gestört sind: Durch den Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre und deren Erwärmung kann der Ozean die gespeicherte Wärme nicht mehr so effizient abgeben. Stattdessen bleibt ein größerer Anteil der Energie in der Tiefe.

Auf dem Weg zurück in ein Energie-Gleichgewicht im Erdsystem würde die gespeicherte Wärme nach dem Ende der menschlichen Emissionen wieder an die Atmosphäre abgegeben. In welchen Intervallen, mit welcher Intensität und in welchen räumlichen Mustern dies geschieht, ist noch unsicher und hängt unter anderem davon ab, wie sich Winde, Strömungen und die Schichtung des Meerwassers verändern. Diese Prozesse bestimmen, ob die gespeicherte Energie kontinuierlich wieder abgegeben wird und „nur“ die Abkühlung verlangsamt, oder ob es zu – auf erdgeschichtlichen Zeitskalen – „plötzlichen“ Wärmefreisetzungen durch den Ozean kommt, wie es sich in der Modellierung gezeigt hat.

Keine vergleichbare Freisetzung von CO2 in der Simulation

Für Kohlendioxid zeigten die Modellrechnungen keine vergleichbare Freisetzung aus dem Ozean. Vorläufige Ergebnisse lassen vermuten, dass dies mit der Chemie des Meerwassers zu tun hat, die einen großen Teil des Kohlendioxids zurückhält. Das bedeutet: Auch wenn der Ozean in Zukunft spürbar Wärme freisetzen könnte, ist ein ähnlich großer CO2-Rülpser, der den Erwärmungseffekt noch verstärken würde, laut Modellrechnung nicht zu erwarten.

Die Forschenden betonen, dass ihre Ergebnisse mit Vorsicht interpretiert werden müssen. Zum einen ist das Szenario idealisiert – eine so schnelle Umkehr zu Netto-negativ-Emissionen wie im Modell ist gegenwärtig nicht realistisch. Zudem wurde die Studie mit einem Modell mittlerer Komplexität durchgeführt, das heißt, es hat eine begrenzte räumliche Auflösung des Ozeans und berücksichtigt zum Beispiel nicht die Effekte des Schmelzens der Eisschilde. Außerdem wurde für die Studie bewusst ein einzelner Prozess aus dem Klimasystem herausgegriffen, viele weitere Phänomene und natürliche Schwankungen sind nicht berücksichtigt.

Lange Zeitskalen des Ozeans bei Klimastrategien mitdenken

Bei allen Unsicherheiten waren die Ergebnisse robust – auch in anderen Modellkonfigurationen zeigten sich ähnliche Muster. Die Kieler Forschenden sind sich einig, dass der Südozean eine Region ist, die wir besser verstehen müssen, um zukünftige Klimaverläufe richtig einschätzen zu können. Frenger: „Aufgrund seiner zentralen Bedeutung für das globale Klimasystem sollte der Südozean mit kontinuierlichen Messungen beobachtet werden. Bislang ist diese Region unter anderem wegen der harschen Wetterbedingungen dort weit weniger erforscht als beispielsweise der Nordatlantik.“

Und die Ergebnisse machen deutlich: Langfristige Klimastrategien, die die kommenden zehn Generationen berücksichtigen, müssen auch die langen Zeitskalen des Ozeans einbeziehen. „Deshalb ist es mir ein Anliegen, dass wir auch heute schon über das Jahr 2100 hinausdenken“, sagt Ivy Frenger. „Was wir an Störung angestoßen haben und weiter anstoßen, wird uns auf lange Zeit beschäftigen. Am allerwichtigsten ist es daher jetzt, unsere derzeitigen CO2-Emissionen auf Netto-Null zu reduzieren, um das Klimasystem nicht noch weiter zu stören.“

Originalpublikation:
https://doi.org/10.1029/2025AV001700 Frenger, I., Frey, S., Oschlies, A., Getzlaff, J., Martin, T., & Koeve, W. (2025). Southern Ocean heat burp in a cooling world. AGU Advances, 6, e2025AV001700.