Meeresspiegelanstieg und Stürme verändern den Meeresboden

Mehr Wasser über dem Meeresboden müsste eigentlich eine stärkere Belastung des Bodens bedeuten. So legt es die Intuition bei steigendem Meeresspiegel nahe – doch die physikalischen Zusammenhänge zeigen ein anderes Bild.

Eine neue Studie untersucht diese Frage unterhalb der Wasseroberfläche. Die Ergebnisse vor Nordwesteuropa betreffen jede Windturbine, jedes Kabel und jedes Lebewesen, das auf diesem Meeresboden liegt.

Eine kaum beachtete Grenze

Die Klimaforschung konzentriert sich meist auf wärmeres Oberflächenwasser oder schrumpfende Küstenlinien. Die Beschaffenheit des Meeresbodens – ebenso wie die Tiere, die in oder auf ihm leben – wird dagegen nur selten berücksichtigt.

Dr. Julia Rulent, Ozeanografin am National Oceanography Centre (NOC), leitete ein Team, das dies ändern wollte.

Dafür verknüpften die Forschenden Ozean- und Wellensimulationen mit Klimaprojektionen bis 2093.

Als Untersuchungsgebiet diente der Nordwesteuropäische Schelf, doch die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse gelten für Schelfmeere weltweit. Konkret analysierte das Team, wie sich Meeresspiegelanstieg und stärkere Stürme auf die Belastung des Meeresbodens auswirken werden.

Zwei gegensätzliche Kräfte

Die Studie trennt zwei wesentliche Einflussfaktoren voneinander. Ein höherer Meeresspiegel vergrössert den Abstand zwischen Wasseroberfläche und Boden, wodurch Wellen und Gezeitenströmungen den Meeresboden weniger stark erfassen.

Dadurch wird der Meeresboden ruhiger, gleichmässiger und besser vorhersehbar. Stürme bewirken hingegen genau das Gegenteil.

Eine wärmere Atmosphäre dürfte zwar weniger, dafür aber kräftigere Winterstürme über Nordwesteuropa ziehen lassen. Jeder einzelne davon überträgt kurze, intensive Energieschübe bis auf den Boden.

Bis zu dieser Untersuchung hatte niemand quantifiziert, wie beide Kräfte zusammenwirken – wann, wo und mit welcher Intensität sie den Meeresboden eines gesamten Schelfmeers beeinflussen.

Der stille Einfluss des Meeresspiegels

Auf Basis britischer Klimaprojektionen modellierte das Team zwei Anstiege des Wasserspiegels: rund 28 Zentimeter bis zur Mitte des Jahrhunderts sowie 71 Zentimeter bis 2100. Anschliessend liess es in beiden Szenarien dieselben Wetterbedingungen ablaufen.

Grössere Wassertiefen schwächen fast alle Einflüsse ab. So werden die bodennahen Gezeitenströmungen langsamer, während Wellenenergie den Meeresboden schlechter erreicht.

Die Amphidromien – ortsfeste Punkte, an denen der Tidenhub auf null sinkt – verlagern sich um bis zu 3,9 Kilometer.

Im gesamten Schelfgebiet fällt die durchschnittliche Belastung des Meeresbodens geringfügig, aber durchgehend aus. Besonders deutlich zeigt sich dies in flachen Gewässern und in Ästuaren mit hohem Tidenhub wie der Morecambe Bay.

Allerdings gibt es eine Besonderheit: Da sich Wellen über der Doggerbank weniger stark auflösen, erreicht mehr Wellenenergie die Küste. In der Deutschen Bucht könnten die küstennahen Wellen daher höher ausfallen.

Meeresbodenstress durch Stürme

Bei Stürmen ergibt sich ein anderes Bild. Wärmere Meere stehen mit stärkeren Tiefdrucksystemen in Zusammenhang.

Jüngste Projektionen gehen davon aus, dass die Stärke britischer Stürme bis 2080 um 30% zunehmen könnte, vor allem weil sich die Stürme über grössere Gebiete erstrecken.

In Rulents Simulationen erzeugt ein schwerer Wintersturm gegen Ende des Jahrhunderts am Meeresboden zusätzliche Belastungen von bis zu 15 Newton pro Quadratmeter.

Das entspricht mehr als dem Doppelten der Belastung durch die heute stärksten Springtiden. In manchen Regionen kann die Sturmbeanspruchung sogar um eine ganze Grössenordnung steigen – auf das Zehnfache der Belastung bei ruhigen Bedingungen.

Grössere Körner geraten in Bewegung

Welche Partikel eine Strömung anheben kann, hängt von ihrer Kraft ab. Unter den heutigen ruhigen Sommerbedingungen werden lediglich feine Sande mit weniger als 0,1 Millimeter Durchmesser bewegt.

Starke Stürme können dagegen Körner von mehr als 11 Millimetern lösen, etwa kleine Kieselsteine. An den zum Atlantik ausgerichteten Küsten vermögen Spitzenbedingungen bei Stürmen bereits Steine von über 25 Millimetern zu rollen – ungefähr so gross wie eine 1-Euro-Münze.

Heute verändert der saisonale Wechsel vom Sommer zum Winter die Art der vom Meer bewegbaren Sedimente auf mehr als 500.000 Quadratkilometern des Schelfs.

Bis zum Ende des Jahrhunderts wird sich dieser Schwellenwert in künftigen Wintern auf mehr als 640.000 Quadratkilometer ausdehnen.

Eine wachsende saisonale Kluft

Aus dem Zusammenspiel entsteht ein ungewöhnlicher neuer Rhythmus. Die Sommer dürften ruhiger werden, weil sich die Wellenbedingungen abschwächen und der steigende Meeresspiegel zusätzlich für grössere Tiefe sorgt.

Die Winter werden dagegen voraussichtlich heftiger, da stärkere Stürme auftreten. Benthische Lebensräume – Würmer, Muscheln, Krabben und andere Tiere, die auf einen stabilen Boden angewiesen sind – haben sich an das heutige Muster angepasst.

„Eine zunehmende Sturmhäufigkeit kann für benthische Gemeinschaften mehr und grössere Störungsregime schaffen“, schrieben Rulent und ihre Kolleginnen und Kollegen.

Arten, die ruhige Phasen benötigen, um gestörte Bereiche des Meeresbodens wieder zu besiedeln, könnten folglich immer kürzere Zeitfenster vorfinden.

Offshore-Windenergie unter Druck

Der Schelf zählt zu den am stärksten industriell genutzten Meeresräumen der Erde. Die Offshore-Windkapazität in der EU und im Vereinigten Königreich lag 2023 bei 36 Gigawatt; bis 2030 sind 110 Gigawatt vorgesehen.

Turbinen, Stahlfundamente, Steinschüttungen zum Kolkschutz und Seekabel liegen allesamt auf einem Boden, dessen Verhalten sich wandelt. Gesteinspanzer, die für heutige Strömungen dimensioniert wurden, könnten den Stürmen des Jahres 2080 daher möglicherweise nicht standhalten.

Eine verwandte Studie, die teilweise von denselben Forschenden geleitet wurde, zeigte, dass ein einziges Turbinenfundament die auf den Meeresboden wirkende Strömungskraft in seinem Nachlauf mehr als verdoppeln kann. Klimabedingte Kräfte könnten sich zusätzlich darauf auflagern.

Wie es weitergeht

Erstmals wurden künftige Veränderungen bei Meeresbodenstress und Sedimentmobilität für ein gesamtes Schelfmeer kartiert. Die saisonale Differenz zwischen Sommer und Winter wird sich den Projektionen zufolge im Laufe des Jahrhunderts vergrössern.

Der Meeresspiegelanstieg beruhigt den Boden sanft und berechenbar. Stürme werden ihn dagegen stärker und häufiger aufwühlen; insgesamt entsteht dadurch eine zunehmend grössere saisonale Kluft.

Die Folgen reichen bis in die Planung von Offshore-Windenergieanlagen, Meeresschutzgebieten und Fischereimanagement hinein. Dieselben physikalischen Prozesse gelten für Schelfmeere auf der ganzen Welt.