(openPR) Überdüngung und Sauerstoffmangel sind bekannte Bedrohungen für das ökologische Gleichgewicht in der Ostsee, das durch den Klimawandel zunehmend unter Druck gerät. In diesem Zusammenhang sind große Salzwassereinströme aus der Nordsee von besonderer Bedeutung. Sie transportieren sauerstoffreiches Wasser in die tieferen Wasserschichten der Ostsee und wirken Sauerstoffarmut oder auch sogenannten Todeszonen entgegen.
Große Salzwassereinströme in die Ostsee – die sogenannten Major Baltic Inflows (MBIs) – sind in der Wissenschaft seit Jahren gut dokumentiert. Studien zeigen: Sie entstehen meist, wenn längere Ostwindphasen auf kräftige Westwinde folgen. Doch warum solche gewaltigen Wassermengen aus der Nordsee teilweise relativ geringe Mengen an frischem Sauerstoff bis in die Tiefe der Ostsee bringen, war bislang ein Rätsel.
In ihrer neuen Studie konnten Dr. Ulrike Löptien, Professor Matthias Renz und Dr. Heiner Dietze vom Institut für Informatik und vom Institut für Geowissenschaften an der CAU dieses Rätsel nun mit einem Methodenmix aus modernen Verfahren des Maschinellen Lernens und numerischen Ozeanzirkulationsmodellen lösen. Konkret setzen die Forschenden auf sogenanntes Unsupervised Learning, also maschinelles Lernen ohne vorgegebene Kategorien. Auf Basis einer Langzeitrekonstruktion von großen Salzwassereinströmen und historischen Wetterdaten identifiziert der Algorithmus zwei unterschiedliche Typen von Einstromereignissen – jeweils mit eigenen atmosphärischen und ozeanografischen Merkmalen. Modell-Simulationen bestätigten diese Cluster und ermöglichen es, ihren jeweiligen Einfluss auf die Sauerstoffversorgung der Ostsee erstmals gezielt zu untersuchen.
Das erste Cluster, von den Forschenden „Classic“ genannt, ist geprägt von einem ausgeprägten Hochdruckgebiet über Skandinavien und dem nordwestlichen Teil der Ostsee – gefolgt von eher moderaten Westwinden. Das zweite Cluster, „Stormy“, zeigt ein anderes Muster: Es beginnt mit einem schwächeren Hochdruckeinfluss über der zentralen Ostsee, dem kräftige bis stürmische Westwinde folgen.
Beim „Classic“-Typ sorgt zunächst ein ausgeprägtes Hochdruckgebiet dafür, dass große Wassermengen aus der Ostsee herausgedrückt werden. Setzen dann moderate Westwinde ein, wird das zuvor verdrängte Wasser wieder zurück in die Ostsee transportiert. Entscheidend ist dabei: Die verhältnismäßig schwachen Westwinde verändern kaum die typische Schichtung im Kattegat – salzhaltiges Nordseewasser bleibt stabil unter einer Schicht aus süßem Ostseewasser erhalten.
Anders beim „Stormy“-Typ: Hier verdrängt der vorangehende Ostwind weniger Wasser, wodurch sich eine schwächere Schichtung ausbildet. Die nachfolgenden Westwinde sind deutlich stärker – das fördert eine intensivere Durchmischung von Nordsee- und Ostseewasser. Dadurch gelangt letztlich mehr salz- und sauerstoffreiches Wasser atlantischen Ursprungs in die tiefen Becken der Ostsee.
Entscheidend für die Sauerstoffverteilung, so die Forschenden, ist dabei vor allem der Salzgehalt des einströmenden Wassers: Er bestimmt, in welche Tiefenschichten der Ostsee der Sauerstoff tatsächlich vordringen kann. Denn nur besonders salzhaltiges Wasser ist dicht genug, um bis in die unteren Wasserschichten vorzudringen – dorthin, wo der Sauerstoff dringend benötigt wird, etwa für den Abbau von absinkendem Plankton und anderer organischer Substanzen. Der Einfluss des Nordseewassers ist damit essenziell für das ökologische Gleichgewicht der Ostsee. Es stammt aus dem Atlantik, ist dichter, salzhaltiger und sauerstoffreicher – Eigenschaften, die es befähigen, auch die tiefen Schichten der Ostsee zu erreichen und dort das sauerstoffarme Wasser zu erneuern.
„Die von uns angewandten Methoden und gewonnenen Erkenntnisse lassen sich auch auf viele andere Küsten- und Randmeere weltweit übertragen – überall dort, wo unterschiedliche Wassermassen aufeinandertreffen. Gerade vor dem Hintergrund des Klimawandels, der nicht nur die Temperaturen steigen lässt, sondern auch Wetterlagen und Strömungssysteme verändert, ist ein tieferes Verständnis dieser Prozesse von entscheidender Bedeutung,“ sieht Erstautorin Dr. Ulrike Löptien weitreichendes Potenzial in den Ergebnissen.
wissenschaftliche Ansprechpartner: Dr. Ulrike Löptien Arbeitsgruppe Archäoinformatik – Data Science Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) E-Mail:
