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Neuer Blick auf Nord- und Ostsee

Verfahren liefert optimierte und hochaufgelöste Daten zum hiesigen Meeresspiegelanstieg

Ost- und Nordsee
Blick über die südliche Ostsee und im Hintergrund die Nordsee. Wie sich der Meeresspiegel beider Meere verändert, zeigt nun eine neue Satellitenauswertung. © NASA/JSC

Störeffekte beseitigt: Eine neue Auswertung von Satellitenmessungen zeigt den Meeresspiegelanstieg in Nord- und Ostsee erstmals präzise und flächendeckend. Denn Störeffekte durch Eisbedeckung, Inseln oder Küsten können nun dank eines neuen Verfahrens kompensiert werden. Die Messdaten bestätigen, dass die Pegel beider Meere anstiegen, allerdings gibt es deutliche regionale Unterschiede.

Milliarden Menschen leben in Küstennähe und auch die meisten Ballungsräume liegen dort. Sie sind daher in besonderem Maße von einem klimabedingten Anstieg des Meeresspiegels gefährdet. „Um Menschen und Infrastruktur zu schützen – beispielsweise indem man Flutschutzanlagen baut, Häfen befestigt oder Deiche erhöht – braucht man zuverlässige Prognosen über die Entwicklung des Meeressiegels“, erklärt Florian Seitz vom Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut der TU München. „Die Voraussetzung dafür sind allerdings genaue Daten mit hoher räumlicher Auflösung.“

Störeffekte behindern die Messungen

Aber ausgerechnet in Küstennähe, wo sich Städte, Häfen, Industrie- und Wohngebiete befinden, sind die Messdaten der Radarsatelliten, die die Erd- und Meeresoberfläche vermessen, oft verrauscht. Der Grund: Berge, Buchten und vorgelagerte Inseln verursachen Streuungen der Signale und verfälschen die Echos, die reflektiert werden. Ein weiteres Problem ist Meereis, das im Winter Teile der Ozeane bedeckt: Es ist für ihre Radaraugen undurchdringlich.

Besondere Probleme bereiten diese Störeffekte in kleineren Meeren wie der Nord- und Ostsee: Zum einen behindern Küsten und Meereis die Satellitenmessungen, zum anderen werden die direkten Pegelmessungen entlang der Küsten durch die Bewegungen der Landfläche verfälscht: Große Teile der Küstengebiete heben sich seit der letzten Eiszeit, weil die Erdkruste hier quasi im Zeitlupentempo auf die Entlastung durch das Verschwinden der Eiszeitgletscher reagiert.

„Durch diesen Effekt scheint der Meeresspiegel im Nordteil der Ostsee gegenüber dem Land stark zu sinken, während absolute Messungen signifikant positive Trends zeigen“, erklärt das Forschungsteam um Seitz und Erstautor Marcello Passaro.

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Algorithmen schärfen den „Blick“ der Satelliten

Abhilfe schafft nun ein neues Verfahren, bei dem spezielle Algorithmen die Radardaten so aufbereiten, dass die Störfaktoren kompensiert werden. Im Rahmen des Projekts Baltic Sea Level, kurz Baltic SEAL, haben Passaro und sein Team diese Methodik am Beispiel der Ostsee getestet. Ein zweites Team um Passaros Kollegin Denise Dettmering wendete das Verfahren im Projekt NorthSEAL auf die Nordsee an.

Meeresspiegel
Anstieg des mittleren Meeresspiegels in Nord- und Ostsee (Millimeter pro Jahr), berechnet aus Beobachtungsdaten von Satelliten zwischen 1995 und 2019. Die Schattierung kennzeichnet Bereiche mit hoher statistischer Unsicherheit. © TU München

Für beide Studien wurden zunächst hunderte Millionen Messdaten verschiedener Satelliten aus der Zeit von 1995 bis 2019 kalibriert, um sie kombinieren zu können. Mithilfe spezieller Algorithmen spürt das Verfahren dann in den Radar-Reflexionen des eisbedeckten Meeres die Signale auf, die von dem in Eisrissen und -spalten hervortretenden Wasser stammen. Über diese Lücken im Eis lässt sich auch für die Wintermonate die Höhe des Meeresspiegels ermitteln. Dank neuer Rechenverfahren gelang es außerdem, die Radarechos in Landnähe besser aufzulösen.

Das Ergebnis ist ein sehr präziser und flächendeckender Datensatz, der die Meeresspiegel-Entwicklung der Ostsee und der Nordsee mit einer räumlichen Auflösung von sechs bis sieben Kilometern anzeigt.

Ostsee: Stärkerer Anstieg im Nordosten

Für den Meeresspiegel der Ostsee zeigt die neue Kartierung: Der absolute Meeresspiegel ist auch in diesem Binnenmeer in den letzten gut 25 Jahren deutlich angestiegen. Die Zunahme ist dabei im Winter stärker als im Sommer, im Mittel liegt sie aber bei rund vier Millimetern pro Jahr – und damit leicht über dem Durchschnitt des globalen Meeresspiegelanstiegs von rund 3,3 Millimeter pro Jahr. Für die Ostseeküsten stellt dieser überdurchschnittliche Anstieg des Meeres allerdings keine Bedrohung dar: Durch die isostatische Hebung seit der Eiszeit heben sich die meisten Küstenbereiche um bis zu einen Zentimeter pro Jahr, wie Passaro und sein Team erklären.

Innerhalb der Ostsee gibt es deutliche räumliche Unterschiede: Die Pegel steigen im Südwesten weniger als im Nordosten. Dadurch liegt die Zunahme an der deutschen und dänischen Küste jährlich bei zwei bis drei Millimeter, im Bottnischen Meerbusen dagegen bei sechs Millimeter. Eine Ursache dafür ist der Wind: Vor allem im Winter wehen häufig starke Südwestwinde über die Ostsee und drücken das Wasser nach Nordost. Rund ein Millimeter der Pegeldifferenzen gehen direkt auf diesen Windeffekt zurück, wie ergänzende Modellrechnungen ergaben.

Die Stärke und Richtung der Winde wiederum wird von der Nordatlantischen-Oszillation (NAOP) beeinflusst, einer Klimaschwankung, die vom Ausmaß der Luftdruckunterschiede zwischen den Azoren und Island abhängt. „Die Vergleichsanalysen zeigen, dass der winterliche Meeresspiegel vor allem in positiven NAO-Phasen im Bottnischen Meerbusen höher ist als im Südwesten“, berichten die Forschenden. „Das ist mit den stärkeren Süd- und Westwinden während der positiven NAO-Phasen verknüpft.“

Nordsee: Höher in der Deutschen Bucht

Für die Nordsee zeigen die neuen Daten ebenfalls einen konsistenten Anstieg des Meeresspiegels von im Schnitt 2,6 Millimeter pro Jahr. Damit steigen die absoluten Pegel dort etwas weniger stark als im globalen Durchschnitt oder in der Ostsee. Auch für die Nordsee geben die neuen Datensätze zudem Aufschluss über lokale Unterschiede sowie die Prozesse, die die Pegelhöhen zeitliche und räumlich beeinflussen.

So gibt es auch in der Nordsee lokale Unterschiede: „Die höchsten Anstiege werden in der Deutschen Bucht und rund um Dänemark beobachtet“, berichten Dettmering und ihre Kollegen. Dort werden rund 3,2 Millimeter Anstieg pro Jahr erreicht. Eine der Ursachen dafür ist auch hier das vom Wind verursachte Aufstauen des Wassers in dieser Region. Signifikant geringer ist der Meeresspiegelanstieg dagegen im südlichen Teil Großbritanniens mit nur rund 1,5 Millimeter pro Jahr.

Nützlich für Klimamodelle und Küstenschutz

Nach Ansicht der Forschende eröffnen die neuen Datensätze und die optimierte Methode der Satellitenauswertung nun die Chance, Modelle des Meeresspiegelanstiegs zu verbessern. Sie liefern aber auch konkrete Informationen dazu, wo und wie stark die Schutzmaßnahmen an verschiedenen Stellen der Küsten ausgebaut werden müssen.

Das an Nord- und Ostsee getestete Verfahren kann nun auch für andere Küstengebiete und Ozeane eingesetzt werden. „Durch die neu entwickelten Verfahren zur Auswertung und Kombination der Radardaten haben wir jetzt die Möglichkeit, auch für andere Küstenbereiche genaue und zuverlässige Aussagen über die Meeresspiegeländerungen der letzten Jahrzehnte zu treffen“, sagt Dettmering. (Frontiers in Marine Science, 2021; doi: 10.3389/fmars.2021.647607; Earth System Science Data (Preprint), doi: 10.5194/essd-2021-103)

Quelle: Technische Universität München

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