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Ozeanographie : Seebeben als seismische Thermometer

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Rund 4000 dieser Argo-Bojen messen rund um den Globus den Salzgehalt und die Wassertemperatur der Ozeane. Bild: Geomar

Seismische Schallwellen, die von untermeerischen Erbeben erzeugt werden, breiten sich je nach Wassertemperatur unterschiedlich schnell aus. Forscher haben diesen Zusammenhang genutzt und gemessen, wie warm der Indische Ozean im Zuge des Klimawandels geworden ist.

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          Steigende Meeresspiegel, zunehmende Versauerung und kletternde Wassertemperaturen – der Klimawandel verändert die Weltmeere. Denn sie nehmen einen Großteil des Kohlendioxids und der Wärmemenge der Atmosphäre auf. So sind die Ozeane verglichen mit dem langjährigen Mittel zwischen 1981 und 2010 in den vergangenen fünf Jahren immer wärmer geworden, laut einer Studie vom Januar im Jahr 2019 sogar um durchschnittlich 0,075 Grad. Weil die Ozeane sehr viel Wärme über lange Zeiträume speichern können, bremsen sie gewissermaßen das Tempo des globalen Temperaturanstiegs. Für ihre Modelle müssen die Klimaforscher deshalb möglichst genau wissen, wie warm die Meere sind.

          Doch die großflächige zuverlässige Messung der Temperatur des Meerwassers ist bis heute weitgehend unmöglich. Zwar haben die nahezu 4000 driftenden, autonom arbeitenden Argo-Bojen im Laufe der vergangenen Jahre zahlreiche Temperaturprofile in allen Weltmeeren aufgezeichnet. Hierbei handelt es sich aber um Punktmessungen, die nur wenig Schlüsse über die großräumigen Veränderungen der Wassertemperatur zulassen. Geophysiker vom California Institute of Technology in Pasadena haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem geringe Schwankungen der Wassertemperatur über ein großes Gebiet gemessen werden können. Als Sonden verwenden sie die von Erdbeben erzeugten Schallwellen, welche die Ozeanbecken über Strecken von vielen tausend Kilometern durchlaufen können.

          Sogar um die halbe Welt übertragbar

          Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall im Wasser ist ein gutes Thermometer, denn die Schallgeschwindigkeit ändert sich mit der Temperatur. In wärmerem Wasser breitet sich der Schall schneller aus als bei kühleren Temperaturen. Schon vor hundert Jahren hatte der deutsche Ozeanograph Hugo Lichte bemerkt, dass die Schallgeschwindigkeit im Meer zwischen einem und zwei Kilometer Wassertiefe ein Minimum erreicht. Darüber nimmt sie zu, weil das Wasser nahe der Oberfläche immer wärmer wird. Dass die Schallgeschwindigkeit unterhalb von zwei Kilometer Tiefe ebenfalls zunimmt, ist auf den erhöhten hydrostatischen Druck in der Tiefsee zurückzuführen.

          Von einem deutschen Forschungsschiff wird eine Argo-Tauchboje ausgesetzt.
          Von einem deutschen Forschungsschiff wird eine Argo-Tauchboje ausgesetzt. : Bild: www.argo.ucsd.edu

          Die Beobachtung Lichtes hat interessante Konsequenzen für die Ozeanographie. Breitet sich nämlich eine Schallwelle in ein bis zwei Kilometer Tiefe aus, bleibt sie in dieser Schicht gleichsam gefangen. Sie wirkt wie ein Kanal, in dem Schallwellen – ähnlich wie Lichtwellen in einem Glasfaserkabel – ohne großen Energieverlust „geführt“ werden. Der untermeerische Schallkanal ist als „Sofar“-Kanal (Sound Fixing and Ranging) bekannt. Vor mehr als 30 Jahren konnte der amerikanische Ozeanograph John Spiesberger von der Pennsylvania State University nachweisen, dass sich Schall in dieser Schicht extrem weit ausbreiten kann. Seine Arbeitsgruppe hatte vor Kaneohe auf der Hawaii-Insel Oahu eine Schallquelle in dem Kanal versenkt. Die von ihr ausgesandten akustischen Signale wurden von Hydrophonketten noch in etwa 4000 Kilometer Entfernung vor der Küste Nordkaliforniens empfangen.

          Wenige Jahre später zeigten Wissenschaftler um Walter Munk von der Scripps Institution of Oceanography in San Diego, dass im Sofar-Kanal Schallwellen sogar um die halbe Welt übertragen werden können. Von einem vor der Heard-Insel im südlichen Indischen Ozean liegenden Forschungsschiff sandte die Forschergruppe Schallwellen aus. Die Signale wurden Stunden später im Atlantik vor Bermuda und Neufundland, im Pazifik vor Kalifornien sowie im Indischen Ozean vor Java und vor der australischen Antarktis-Station Mawson empfangen.

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