Seebeben als Thermometer
Seismologen messen die Meerestemperatur mit Schallwellen.
In heißen, trockenen Sommern wie 2019 mag mancher vermuten, das ist der Klimawandel. Und vermutlich ist die Häufung überdurchschnittlich warmer Jahre in den vergangenen Jahrzehnten tatsächlich auf die Klimaerwärmung zurückzuführen. Doch was wir in der Atmosphäre messen, ist nur ein kleiner Teil des Problems. Denn 95 Prozent der zusätzlichen Wärme, die die Treibhausgase auf der Erde zurückhalten, wird in den Weltmeeren gespeichert. Die Ozeane haben uns bislang gewissermaßen als Puffer einen großen Teil der Erwärmung vom Hals gehalten, weil Wasser sich wesentlich langsamer erwärmt als Luft. Einmal geschehen, gibt Wasser diese Wärme allerdings auch nicht so schnell wieder ab. Was dort an Energie gespeichert ist, wird über einen langen Zeitraum allmählich wieder abgegeben. Deshalb ist es für realistische Klimamodelle extrem wichtig zu wissen, wie warm das Wasser der Meere ist. Bislang haben wir aber nur lückenhafte Messdaten. Über Jahrzehnte lagen Messwerte für die Meerestemperatur nur aus Küstengewässern, von Schifffahrtsrouten und den Fahrten von Forschungsschiffen vor. Seit dem Jahre 2000 gibt es noch eine weitere Datenquelle: die treibenden Messbojen des Argo-Programms. Deren Zahl ist inzwischen auf knapp 4000 angewachsen.
Nun haben Wissenschaftler vom California Institute of Technology (Caltech) eine elegante Methode gefunden, die Durchschnittstemperatur großer Ozeangebiete auf einen Schlag zu messen. Sie nutzen dafür den Lärm, der bei unterseeischen Erdbeben entsteht und über Tausende Kilometer weit noch messbar ist. Im Fachjournal »Science« (Bd. 369, S. 510) zeigen die Forscher, wie sie vorhandene seismische Überwachungsgeräte sowie historische seismische Daten nutzen können, um festzustellen, wie stark sich die Temperatur der Ozeane verändert hat. Wie Jörn Callies, Assistenzprofessor für Umweltwissenschaften und -technik am Caltech und Co-Autor der Studie, erläutert, sind selbst bei relativ schwachen Beben, deren Erschütterungen kaum zu spüren sind, die entstehenden Geräusche über große Distanzen hörbar. Das ist deshalb interessant, weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen im Wasser von der Temperatur abhängt. Die Schallgeschwindigkeit wächst mit steigender Wassertemperatur.
Bei einem Beben unter dem Meeresgrund fließt der größte Teil seiner Energie als seismische Wellen durch die Erdkruste, erläutert Hauptautor Wenbo Wu, Postdoktorand am Caltech. Doch ein Teil der Energie geht als Schall durch das Wasser. Diese Schallwellen breiten sich allerdings wesentlich langsamer vom Epizentrum des Bebens aus als die seismischen Wellen. Infolgedessen erreichen die seismischen Wellen zuerst seismische Überwachungsstationen, gefolgt von den Schallwellen, die als sekundäres Signal desselben Ereignisses erscheinen. Das Ganze ist ähnlich wie bei Blitz und Donner: Der Blitz ist praktisch sofort zu sehen, der Donner aber erst später zu hören. Anders als beim Donner können die Schallwellen im Ozean mit Seismometern aus Tausenden von Kilometern Entfernung noch aufgezeichnet werden, sagt Wu.
»Der Schlüssel ist, dass wir wiederholte Erdbeben verwenden - Erdbeben, die immer wieder am selben Ort auftreten«, erklärt Wu. Für ihre Studie beobachteten die Wissenschaftler Erdbeben, die vor Sumatra in Indonesien auftreten. Eine seismische Station auf der Insel Diego Garcia im zentralen Indischen Ozean misst dann sowohl die seismischen als auch die Schallwellen. Das akustische Signal braucht für diesen Weg ungefähr eine halbe Stunde. Veränderungen der Wassertemperatur verursachen dabei Laufzeitunterschiede im Bereich von Zehntelsekunden. Da das genutzte Messgerät sich seit 2004 am selben Ort befindet, kann man laut Wu auch auf Daten früherer Seebeben vor Sumatra zurückgreifen und hat so auch Daten zur damaligen Temperatur des Ozeans.
Laut Callies bestätigen die Daten nicht nur, dass sich der Indische Ozean erwärmt hat, was auch andere Messmethoden bereits gezeigt haben. Abhängig davon, mit welchen früheren Daten sie die Ergebnisse vergleichen, könne sich der Ozean um bis zu 69 Prozent stärker erwärmt haben als angenommen. Callies warnt jedoch vor übereilten Schlussfolgerungen, da mehr Daten gesammelt und analysiert werden müssten.
Da Seebeben praktisch in allen Ozeanen auftreten, sollte es laut Callies möglich sein, das von ihm und seinen Kollegen entwickelte System auch in anderen Meeren zu nutzen. Er baut dabei auf die künftige Nutzung der seismischen Messstationen zur Kontrolle des Kernwaffenteststopp-Vertrags (CTBT), die sich über den ganzen Erdball verteilen. Ein Vorzug des Verfahrens gegenüber den Argo-Bojen ist neben der Abdeckung großer Gebiete auch, dass die tiefen Frequenzen der Schallwellen auch Meerestiefen von mehr als 2000 Metern erfassen.
Die Geophysikerin Vera Schlindwein vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven hält das Verfahren für vielversprechend. Sie sieht allerdings gerade beim lückenhaft vermessenen Nordpolarmeer die Schwierigkeit, dass sich rund herum möglicherweise zu wenige Messstationen finden. Ähnlich sei es beim Südatlantik.
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