Marine Hitzewellen belasten die Weltmeere und ihre Ökosysteme zunehmend. Durch die fortschreitende Erderwärmung treten diese Extremereignisse häufiger auf und halten länger an. Auch die Arktis, die sich schneller erwärmt als jede andere Region der Erde, ist davon betroffen. Allerdings unterscheiden sich die Ursachen und Abläufe mariner Hitzewellen in den Polargebieten deutlich von denen in anderen Ozeanen. Eine Studie unter Leitung des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) fasst den aktuellen Forschungsstand zu Ausprägung, Ursachen und Folgen dieser Ereignisse zusammen.

Zunehmende Hitze im Arktischen Ozean

Marine Hitzewellen bezeichnen Phasen, in denen die Meerestemperaturen über mindestens fünf Tage hinweg deutlich über dem Durchschnitt liegen. Ausgelöst werden sie unter anderem durch warme Luftmassen, intensive Sonneneinstrahlung oder den Zufluss ungewöhnlich warmer Wassermassen.

„Jüngste Studien zeigen, dass die Anzahl an marinen Hitzewellen auch in der Arktis in den letzten Jahrzehnten deutlich zugenommen hat“, sagt Dr. Marylou Athanase vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI).

Die Klimaforscherin hat den aktuellen Wissensstand in einer neuen Publikation zusammengetragen. Während das Interesse an marinen Hitzewellen weltweit stark gewachsen ist, gibt es für die Arktis bislang nur wenige Untersuchungen. Eine umfassende Bewertung der Eigenschaften, Ursachen und Auswirkungen dieser Ereignisse fehlt bislang.

„Dabei kann in der Arktis schon eine kurzzeitige Erhitzung um den Bruchteil eines Grads kaskadenartige Auswirkungen auf das hitzeempfindliche polare Ökosystem und womöglich das globale Klimasystem haben“, so Marylou Athanase.

Die verfügbaren Daten zeigen, dass Dauer, Intensität und Häufigkeit mariner Hitzewellen in der Arktis seit den 1980er-Jahren deutlich gestiegen sind. Die Oberflächentemperaturen können während solcher Ereignisse bis zu vier Grad Celsius über dem saisonalen Durchschnitt liegen. Nach Angaben von Marylou Athanase gelten insbesondere die Randmeere der Arktis als Hotspots. Dort würden Hitzewellen an der Oberfläche pro Jahrzehnt um bis zu 0,6 Grad Celsius intensiver und träten im Vergleich zum globalen Durchschnitt etwa doppelt so häufig auf. Je nach Region werde mit ein bis drei Ereignissen pro Jahr gerechnet.

Auch in Tiefen zwischen 50 und 500 Metern treten Hitzewellen auf, teilweise sogar stärker ausgeprägt als an der Oberfläche. Am Meeresboden zeigt sich dagegen kaum eine Zunahme von Intensität oder Häufigkeit, regional sogar ein Rückgang. Besonders auffällig ist die Dauer der Ereignisse. Sie reicht je nach Region von etwa zehn bis 40 Tagen und nimmt in der Arktis schneller zu als in jeder anderen Meeresregion der Erde. Die bislang längste marine Hitzewelle wurde 2016 in der Barentssee registriert. Dort lagen die Temperaturen an der Oberfläche und am Meeresboden mehr als 480 Tage lang um über ein Grad Celsius über dem Durchschnitt.

Besondere Treiber in den Polarregionen

In der Arktis wirken Einflussfaktoren, die in niedrigeren Breitengraden keine vergleichbare Rolle spielen. Dazu zählen das Meereis, veränderte Wärmeflüsse zwischen Atmosphäre und Ozean sowie Wärme, die in tieferen Wasserschichten gespeichert ist.

„Vor allem zwei miteinander verbundene Mechanismen treiben die Zunahme von marinen Hitzewellen: die generelle Erwärmung des Ozeans und der Rückgang des Meereises“, sagt Marylou Athanase. „Die Wärmezufuhr aus der Atmosphäre in den Ozean hängt in der Arktis maßgeblich vom Meereis ab. Schmilzt es im Sommer, kann die Meeresoberfläche mehr Sonnenstrahlung aufnehmen, was wiederum die Erwärmung durch die Eis-Albedo-Rückkopplung verstärkt.“

Während der marinen Hitzewellen in den Jahren 2007 und 2020 nahm der Arktische Ozean aufgrund der geringen Eisbedeckung nahezu doppelt so viel Sonnenenergie auf wie gewöhnlich. Hinzu kommt ein weiterer Effekt: Das Süßwasser aus schmelzendem Meereis bildet eine dünne Schicht auf dem salzhaltigen Meerwasser. Diese erwärmt sich besonders schnell und trägt dazu bei, Hitzewellen zu verstärken und zu verlängern.

„Modellsimulationen schätzen, dass dieser Effekt marine Hitzewellen an der Oberfläche aufrechterhält und um durchschnittlich bemerkenswerte 20 Prozent verlängert und verstärkt“, so Marylou Athanase.

Wärme aus der Tiefe und die Rolle der Wolken

Eine Besonderheit der Arktis besteht darin, dass marine Hitzewellen auch aus tieferen Wasserschichten heraus entstehen können. Während sich in niedrigeren Breiten das wärmste Wasser meist an der Oberfläche befindet, fließt in der Arktis vergleichsweise warmes Atlantikwasser in tieferen Schichten. Stürme im Herbst und Winter können diese Wassermassen durchmischen und die gespeicherte Wärme an die Oberfläche transportieren. Schätzungen zufolge ist dieser Prozess für etwa ein Fünftel aller marinen Hitzewellen an der arktischen Meeresoberfläche verantwortlich.

Auch die Bewölkung beeinflusst die Entstehung und Entwicklung mariner Hitzewellen. Allerdings unterscheiden sich die Prozesse von denen in nicht-polaren Regionen.

„In nicht-polaren Ozeanen sind Hitzewellen oft mit einer Rückkopplung zwischen niedrigen Wolken, Sonnenstrahlung und der Meeresoberflächentemperatur verbunden“, so Marylou Athanase. „Höhere Temperaturen verringern die Bewölkung in den unteren Schichten der Atmosphäre, dadurch kann mehr Sonnenstrahlung einfallen. Das verstärkt die Erwärmung und damit marine Hitzewellen.“

In der Arktis führt eine stärkere Erwärmung dagegen häufig zu mehr Verdunstung und damit zu einer stärkeren Bewölkung. Zwar reduziert diese die Sonneneinstrahlung, gleichzeitig nimmt die dunkle, eisfreie Meeresoberfläche mehr Energie auf, und die Wolken strahlen zusätzliche Wärme zurück zur Oberfläche.

„Tatsächlich fallen die jüngsten Anstiege der sommerlichen und herbstlichen Hitzewellen an der Meeresoberfläche mit moderaten Zunahmen der Wolkendecke zusammen“, sagt Marylou Athanase. „Ob jedoch letztendlich die erhöhte Sonneneinstrahlung oder die Bewölkung die größere Rolle bei der Entstehung arktischer mariner Hitzewellen spielt, ist für uns noch eine offene Frage.“

Forschungsbedarf bleibt hoch

Klimamodelle gehen davon aus, dass die Arktis künftig zu den Regionen mit den weltweit stärksten Zunahmen mariner Hitzewellen gehören wird. Gleichzeitig fehlt es weiterhin an Studien, die speziell auf die Bedingungen in den Polarregionen zugeschnitten sind.

„Mit unserer Studie vervollständigen wir das globale Bild der marinen Hitzewellen, indem wir das ‚arktische Puzzleteil‘ hinzufügen. Und das zu einer Zeit, in der sich diese Region schneller verändert als jeder andere Ozean.“

Originalpubliation: Polar processes set Arctic marine heatwaves apart | Communications Earth & Environment