Meeresströmungen

Wie entsteht der Golfstrom?
(Welche physikalischen Prinzipien sorgen für den Antrieb des Golfstroms?)

• ab Klasse 7
• Haushaltsmaterial und günstige Anschaffungen
• Schwierigkeit: einfach
• Dauer: 20min-30min

Material:

• großes Wasserbecken
• Kühlpack gekühlt (das auf Wasser schwimmt)
• Tauchsieder
• Pipetten
• Schwamm (der auf Wasser schwimmt)
• Salz
• Lebensmittelfarbe (am besten rot und blau)

Der Tausieder steht für die Erwärmung des Wassers in der Nähe des Äquators. Das Eispack bzw. der Schwamm für die Eisschollen der Arktis. Warum es unter Eisschollen salzig ist erfahren Sie im Experiment Eiskernbohrung oder in den Didaktischen Hinweisen.

Durchführung: Der Versuch besteht aus zwei Teilen.

Teil 1: Fülle das Wasserbecken mit Wasser. Tauche an einer Seite des Beckens den Tauchsieder ins Becken, färbe das Wasser dort mit ein paar Tropfen roter Farbe und beobachte (Farbe am besten nahe der Wasseroberfläche vorsichtig reintropfen lassen). Lege nun am anderen Ende des Beckens das Kühlpack ins Wasser und Färbe dort das Wasser mit Farbe blau (Du kannst auch mit der Pipette etwas Farbe unter das Kühlpack spritzen). Beobachte erneut.
Teil 2: Wiederhole den Versuch mit neuem Wasser. Nutze dieses Mal keinen Tauchsieder, sondern nur einen Schwamm auf den du einen Löffel Salz und etwas Farbe gibst. (Nicht zu viel Salz, sonst geht der Schwamm unter!)

Teil 1: Bevor das Kühlpack im Wasser ist, breitet sich das Wasser am Tauschsieder zwar aus, aber es ensteht keine wirkliche Zirkulation. Wenn das Eispack zusätzlich im Becken ist, sinkt das kalte Wasser unter dem Eispack zum Grund des Beckens und das warme Wasser vom Tauchsieder strömt zum Eispack.

Hinweis: Manchmal sieht man den Effekt besser, wenn nach einiger Zeit an beiden Seiten des Beckens noch etwas Farbe hinzugegeben wird.

Teil 2: Auch unter dem Schwamm sinkt das dichtere Salzwasser zum Grund des Beckens. Dann fließt es dort zum anderen, weniger salzigen Teil des Beckens und es bildet sich eine Zirkulation.

Haben Sie etwas Gedult! Meistens dauert es etwas bis die Farbe durch das Salz gesunken ist und unter dem Schwamm sichtbar wird.

Didaktische Fehlvorstellungen
In vielen Schulbüchern wird die Entstehung des Golfstroms nur über die Sonne, die die Gewässer der Äquatorregionen (z.B. Golf von Mexico) erwärmt, erklärt. Doch dies reicht nicht aus! Durch die Erwärmung entstehen Oberflächenströmungen, die nicht gerichtet und nicht stark genug sind um bis Europa zu reichen.

Fällt im Versuch das Eispack weg, bildet sich keine Zirkulation im Becken aus, sondern nur Oberflächenströmungen in alle Richtungen. Auch wenn der arktische Eisschild abtaut, wird sich der Golfstrom abschwächen oder ganz zum Erliegen kommen, egal wie stark sich das Meer am Äquator erwärmt.

Smartphone im Unterricht?
Wir haben beobachtet, dass gerade bei diesem Versuch das Handyverbot von den SchülerInnen spontan ignoriert wird. Anstatt uns darüber zu ärgern, haben wir beschlossen dies als gutes Zeichen für den Versuch zu nehmen.

Warum ist es unter der Eisscholle (bzw. dem Schwamm) salzig?
Das Meer besteht aus Salzwasser. Friert dieses zu Eisschollen so friert als erstes der Süßwasseranteil. Es bildet sich eine dünne Schicht aus (Süßwasser-)Eis an der Wasseroberfläche und das übrigbleibende Salz sinkt etwas ab und sammelt sich in einer Schicht aus etwas salzigerem Wasser unter der entstehenden Scholle. Bleibt es weiter kalt, so friert erneut der Süßwasseranteil des Wassers unter der Scholle. Die Scholle wird etwas dicker und das übrigbleibende Salz sinkt wieder etwas ab und macht das Wasser unter der Scholle wieder etwas salziger.
Durch diesen Prozess wird das Meerwasser unter der entstehneden Scholle immer salziger. Dies erschwertz zum Einen die Bildung von neuem Eis (so das Eisschollen innerhalb einer Saison nur etwas einen Meter dick werden) und sorgt zum Anderen dafür, dass das Wasser durch mehr gelöstes Salz immer dichter wird und weiter absinkt.
So bilden sich, besonderns wenn in kalten Wintern viele Eisschollen entstehen, riesige Wasserfälle unter Wasser aus salzigerem Wasser, dass bis zum Meeresgrund sinkt.

Didaktische Reduktion – das Meer ist doch salzig
Das Meer besteht natürlich aus Salzwasser. Wir benutzen im Experiment in den Becken Süßwasser, weil so einfach Leitungswasser verwendet werden kann. Dies hat auf die Ergebnisse kaum Auswirkungen. Die thermischen Prozesse bleiben die gleichen in Salzwasser. Die Prozesse im zweiten Teil des Experiments basieren auf einem Unterschied an Salzkonzentration, würden also nur etwas schwächer stattfinden, wenn das Becken mit Salzwasser gefüllt wäre, deren Konzentration geringer ist, als die Konzentration des Salzwassers unter dem Schwamm.

Didaktische Reduktion – das Wasser am Äquator kocht doch nicht
Sowohl die Temperaturunterschiede als auch die Unterschiede in der Salzkonzentration sind im Experiment wesendlich größer als in der Natur. Dadurch werden die Effekte im Versuch direkt beobachtbar, während sie in der Natur wesentlich langsamer stattfinden würden.

Ist das wirklich der Golfstrom?
Umgangssprachlich (aber auch in der Schule) sprechen wir gerne vom Golfstrom und meinen damit eine Meereströmung die vom äquatornahen Atlantik bis in die Polregionen Europas fließt. Aber genaugenommen bezeichnet Golfstrom nur einen relativ kleinen, äquatornahen Teil dieser Strömung. Zusammen mit Nordatlantikstrom bildet der Golfstrom die Atlantische Umwälzungszirkulation (AMOC), von der eigentlich die Rede sein müsste. Und diese wiederum ist der des sogenannten „globalen Förderbands“, der thermohalinen Zirkulation welche die enormen Wassermassen aller Meere umwälzt.

Antrieb der thermohalinen Zirkulation
Durch die Wortteile thermo (warm) und halin (Salz) sind bereits die entscheidenen, Antriebe dieser Meeresströmung zu erahnen. Das Wasser unter dem arktisen Eisschild ist kalt und salzreich (siehe Eiskernbohrung) und weist damit eine hohe Dichte auf. Aufgrund dieser sinkt das Wasser in der Akrtis zum Meeresgrund und fließt dort in Richtung Äquator. Wärmerers und weniger salzreiches Oberflächenwasser aus äquatornähe strömt gleichzeitig in die Arktis und es ensteht eine Zirkulation.

In den Arbeitsblättern zum Experiment finden Sie Vorüberlegungen, Hintergrundwissen und weiterführende Aufgaben.

Klima-Feedbackschleife 1: Eis-Albedo-Effekt
Sonneneinstrahlung
Albedo
Eis-Albedo-Rückkopplung

Noch Meehr Klima
CO2 im Meer

Klima-Feedbackschleife 2: Veränderung des Golfstroms
Eiskernbohrung
Schmelzendes Meereis
Land- und Meereis