Anticyclonic Eddies in the northeastern Japan/East Sea: simulation, observation and formation mechanisms

Der Ozean ist keine gleichmäßige, flache Wasserschicht; er ist ein wirbelndes, geschichtetes Fluid, in dem massive Strömungen neben wirbelnden Wasser Taschen fließen, die wie riesige, Zeitlupen-Wirbelstürme rotieren. Diese wirbelnden Taschen, bekannt als Eddies (Wirbel), können hunderte Kilometer breit sein und über Monate hinweg bestehen, wobei sie Wärme, Salz und Nährstoffe über riesige Distanzen transportieren. Im Japanischen Meer (Ostsee), einem halbumschlossenen Gewässer, das von Russland, Korea und Japan begrenzt wird, ist der Ozean in zwei unterschiedliche Welten unterteilt: eine warme, salzhaltige südliche Region und eine kalte, süßere nördliche Region, die durch eine sich verschiebende Grenze, die Subpolare Front, getrennt sind. Während Wissenschaftler die Eddies im warmen Süden und im kalten Nordwesten schon lange untersuchen, blieb ein spezifisches Gebiet westlich der japanischen Insel Hokkaido ein Rätsel. Diese Region ist ein dynamischer Kreuzungspunkt, an dem warme Strömungen gegen komplexe Unterwasserberge und scharfe Küstenlinien prallen und so einen perfekten Sturm für die Ozeanturbulenz erzeugen, doch sie war noch nie systematisch kartiert oder verstanden worden.

Ein Team von Forschern der Russischen Akademie der Wissenschaften hat nun diese Lücke gefüllt und seinen Blick auf die Gewässer westlich von Hokkaido gerichtet, um zu enthüllen, wie diese wirbelnden Eddies geboren werden, wie sie sich bewegen und was sie antreibt. Durch die Kombination von hochauflösenden Computersimulationen mit jahrzehntelangen realen Messungen entdeckten sie, dass dieses Gebiet eine regelmäßige Fabrik sowohl für im Uhrzeigersinn rotierende (antizyklonale) als auch für gegen den Uhrzeigersinn rotierende (zyklonale) Eddies ist. Die Studie konzentriert sich intensiv auf einen spezifischen, im Uhrzeigersinn rotierenden Eddy, der sich im Sommer 2015 bildete, und verfolgt dessen gesamten Lebenszyklus von seinem ersten Erscheinen bis zu seinem endgültigen Verschwinden. Die Forscher fanden heraus, dass dieser Eddy kein Zufallsprodukt war, sondern ein vorhersagbares Ereignis, das durch eine spezifische physikalische Instabilität verursacht wurde, wenn ein warmer Strom an Geschwindigkeit gewinnt und um die zerklüftete Küstenlinie der Insel dreht.

Um dieses Phänomen zu verstehen, bauten die Wissenschaftler einen detaillierten digitalen Zwilling des Ozeans in dieser Region. Sie verwendeten ein Computermodell namens ROMS, das das Meer in ein Gitter aus winzigen, nur zwei Kilometer breiten Quadraten unterteilt und es vertikal schichtet, um die Tiefe zu erfassen. Dieses Modell wurde mit Realdaten über Wind, Lufttemperatur und Meeresströmungen gespeist, wobei eine Simulation der Jahre 2014 bis 2016 durchgeführt wurde. Um sicherzustellen, dass das Computermodell die Wahrheit sagt, verglich das Team die Ergebnisse mit zwei weiteren Quellen: Satellitenbildern, die die Höhe der Meeresoberfläche verfolgen, um Strömungen aufzuzeigen, und jahrzehntelangen Unterwassertemperatur- und Salzgehaltsmessungen, die von Schiffen durchgeführt wurden. Sie betrachteten auch die Bahnen von im Ozean freigesetzten Treibern, die als physische Tracer dienten und genau zeigten, wohin das Wasser bewegt wurde. Als alle diese verschiedenen Methoden übereinandergelegt wurden, erzählten sie dieselbe Geschichte: Ein massiver, warmer Eddy bildete sich tatsächlich und rotierte in diesem Gebiet.

Das Leben des 2015er Eddys, den die Forscher AE2015 nennen, begann Ende Juli. Er begann als kleiner Wirbel, etwa 50 Kilometer breit, südlich der Shakotan-Halbinsel. Während der warme Tsushima-Strom entlang der Westküste von Hokkaido floss, teilte er sich in zwei Zweige auf. Ein Zweig folgte der Küstenlinie, während der andere nach Nordwesten drehte, und genau an diesem Wendepunkt wurde der Eddy geboren. In den nächsten Monaten wuchs der Eddy erheblich an. Bis September hatte er an der Oberfläche auf etwa 100 Kilometer Breite expandiert, und bis Oktober erreichte er eine reife Größe von bis zu 200 Kilometern Durchmesser. Dieses Wachstum war jedoch nicht gleichmäßig; während die Oberseite des Eddys weit auseinanderlief, blieb sein Kern relativ schmal und erstreckte sich in Tiefen von 200 Metern und tiefer nur über etwa 50 Kilometer. Der Eddy driftete nach Nordwesten, verschmolz unterwegs mit kleineren Wirbeln und kollidierte schließlich Ende Oktober mit einem stationären Wirbel, der an einem Unterwasserberg verankert war, wo er schließlich dissipierte (zerfiel).

Die wichtigste Entdeckung der Studie betrifft den Motor, der dieses Wachstum vorantrieb. Wissenschaftler suchen oft nach spezifischen Arten von Instabilitäten, um zu erklären, wie Eddies entstehen. Eine gängige Art bezieht sich auf die Dichteunterschiede zwischen Wasserschichten, eine andere auf die reine Geschwindigkeit und Rotation des Wassers selbst. Durch die Analyse der Physik des Wassers, speziell einer Größe namens Ertels potenzielle Vortizität, stellten die Forscher fest, dass die primäre Kraft hinter AE2015 die Trägheitsinstabilität (inertial instability) war. Dies geschieht, wenn eine Strömung so schnell fließt und sich so scharf dreht, dass das Wasser sein Gleichgewicht nicht halten kann, was dazu führt, dass es ausbricht und sich zu einem Vortex (Wirbel) dreht. Die Simulation zeigte, dass, als der warme Strom an der Insel Okushiri und der Shakotan-Halbinsel vorbeistürzte, die scharfe Richtungsänderung die perfekten Bedingungen für diese Instabilität schuf, um den Wirbel auszulösen. Während eine andere Art von Instabilität, bekannt als symmetrische Instabilität, ebenfalls vorhanden war, spielte sie nur eine sekundäre Rolle – sie wirkte eher wie ein Verstärker, der den Eddy nach seiner Entstehung nochmals befeuerte, statt der Funke zu sein, der ihn startete.

Die Studie zeigte auch, dass diese Eddy-Aktivität kein einmaliges Ereignis ist, sondern ein wiederkehrendes Merkmal der Region. Durch die Analyse von Satellitendaten, die den Zeitraum von 1993 bis 2025 abdecken, kartierte das Team die „Hotspots“, an denen diese Eddies am häufigsten auftreten. Sie fanden heraus, dass im zentralen Japanischen Becken und entlang der nördlichen Begrenzung konsistent im Uhrzeigersinn rotierende Eddies entstehen, während gegen den Uhrzeigersinn rotierende Eddies dazu neigen, sich entlang des Kontinentalhangs und der Küste zu häufen. Die Anwesenheit von Unterwasserbergen und die komplexe Form der Küstenlinie wirken als Anker, die bestimmen, wo diese Wirbel entstehen und wie lange sie anhalten. Die Forscher bestätigten, dass der Eddy von 2015 nur ein Beispiel für ein regelmäßiges Muster war, gestützt durch historische Daten, die ähnliche Eddies in denselben Gebieten in den Jahren 1974, 1980, 1981 und anderen Jahren aufzeigten.

Das Verständnis dieser Dynamiken ist mehr als nur eine akademische Übung; es hat reale Auswirkungen auf das marine Leben im Nordwestpazifik. Es ist bekannt, dass Eddies Nährstoffe aus der Tiefsee an die Oberfläche pumpen und so reiche Nahrungsgründe für Plankton und Fische schaffen. Indem Wissenschaftler kartieren, wo diese Eddies entstehen und wie sie sich bewegen, können sie besser vorhersagen, wo der Ozean am produktivsten sein wird. Die Studie bestätigt, dass die Gewässer westlich von Hokkaido eine vitale, aktive Zone sind, in der die Energie des Ozeans ständig durch das Zusammenspiel von warmen Strömungen und dem Land umgestaltet wird. Die Forscher fanden nicht nur einen einzelnen Eddy; sie entschlüsselten die grundlegenden Regeln, die eine ganze Region des Meeres regieren, und zeigten, dass das, was wie chaotische Turbulenz aussieht, in Wirklichkeit ein hochgradig organisierter, wiederholbarer Prozess ist, der durch die Physik der Strömung und die Form des Meeresbodens angetrieben wird.