Meeresspiegel und Küstendynamik – eine geologische Perspektive

Von Dr. Marc Krecher
(Diplom-Geologe und M.Sc. Energiemanagement)

Hinweis: Interessierte Leser können sich hierzu auch eine animierte 18-seitige Powerpoint-Datei (12 MB) herunterladen. Download hier.

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In den letzten Veröffentlichungen von Kalte Sonne ging es sehr viel um Meeresspiegelschwankungen und die Beeinflussung derselben durch natürliche und anthropogene Prozesse (hier, hier, hier, hier, hier). Im Folgenden soll diese Themenserie um die geologische Perspektive ergänzt werden.

Es gibt zwei bekannte Zitate, die vor 32 Jahren ausgesprochen wurden, und die einen grundlegenden Verständnismangel hinsichtlich küstendynamischer Prozesse offenbaren. Zum einen der vielzitierte Satz des Klimawissenschaftlers James Hansen vom Goddard Institute for Space Studies (USA) über die Zukunft New Yorks:

„By 2000, the West Side Highway will be under water. And there will be tape across the street because of high winds. And the same birds won’t be there.”

Zum anderen ein in der Presse von Agence France-Press am 26.06.1988 publiziertes Zitat:

„Nach Ansicht der Regierungsexperten, droht diese Nation aus 1196 kleinen Inseln (Malediven) durch einen fortschreitenden Anstieg des Meeresspiegels innerhalb der nächsten 30 Jahre komplett unterzugehen.“

Weder das eine noch das andere ist eingetreten und die Klimawissenschaft verlegt den Weltuntergangstag immer weiter in die Zukunft. Der Begriff „Küstendynamik“ ist dabei faktisch ein Fremdwort geworden. „CO2“ hingegen wird zum Parameter eines wissenschaftlichen Neoreduktionismus, den man im Zuge der Etablierung der Ökosystemtheorie zum Milleniumswechsel eigentlich überwinden wollte.

Mit dem Anstieg des Meeresspiegels wird ein starker Einfluss auf die gesellschaftspolitische Meinung ausgeübt. Es wird von den üblichen Institutionen die Angst verbreitet, dass in wenigen Jahren oder Jahrzehnten die Küstenstädte und vielbevölkerten Deltaebenen überflutet werden: wichtig erscheint dabei immer, dass der Mensch – vornehmlich der des Westens – Schuld hat. Die öffentlichen Medien verbreiten diese verführerisch einfache Logik, die davon ausgeht, dass die Temperatur steigt, dadurch der Meeresspiegel steigt und dadurch die Küste überflutet wird. Aber wenn Küstendynamik und Meereswissenschaften so einfach wären, könnten viele Wissenschaftler ihre Sachen packen und nach Hause gehen.

Die Folien (pptx hier) sollen einen Einblick in die geologischen Grundlagen der Küstendynamik in Abhängigkeit einer Meeresspiegelschwankung 4. Ordnung geben. Diese bildet die Basis für kleinere, über Jahrhunderte (5. Ordnung) und Jahrzehnte (6. Ordnung) hinweg stattfindende Meeresspiegelschwankungen bzw. -raten. Sedimentation, Tektonik und eustatischer Meeresspiegel sind zusammen verantwortlich dafür, ob die Küste transgrediert – also landwärts wandert – oder diese sich regressiv verhält – also seewärts wandert. Der mechanische Eingriff des Menschen kann dieses natürliche Verhalten empfindlich stören. Ob das schlimm ist oder nicht, hängt davon ab, ob es dem Menschen im jeden speziellen Fall mittel- und langfristig zum Wohle dient oder nicht.

Was ist der Meeresspiegel eigentlich und wie wird er gemessen?

Schon alleine das Verhalten des Meeresspiegels und dessen Einmessung ist eine höchstkomplexe Wissenschaft für sich. Globale Meeresspiegelkurven und die Vorstellungen von Wasser im Wasserglas suggerieren ein Meer, dessen Oberfläche flach ist und überall die gleiche Höhe hat. Das ist nicht der Fall. Vielmehr besteht die Meeresoberfläche aus Bergen und Tälern, deren Höhenunterschiede wegen gravitativer Prozesse 180 m und mehr betragen können.

Die Schwankungen des Meeresspiegels (SL) auf dem offenen Ozean bezeichnet man als „Eustasie“. Diese Eustasie hat mindestens drei wesentliche Komponenten:

1.      Glazioeustasie = Schwankungen des Wasservolumens durch Schmelzwasser bzw. Eisbildung oder durch Verdunstungsprozesse bzw. Niederschlag oder durch anthropogenes Wassermanagement und thermale Ausdehnung

2.      Tektonische Eustasie = Änderungen des Raumangebotes („Akkomodation“) durch tektonische und sedimentäre Prozesse (Verschiebungen bei Erdbeben, vertikale Hebungen, Delta- und Küstenprogradationen etc.)

3.      Geodätische Eustasie = Variationen der Meeresspiegelhöhe durch gravitative Prozesse (Geoidverformung oder astronomische Prozesse zwischen Sonne, Mond, Planeten und Erde, durch Wind, durch Änderungen der Erdrotation oder durch Prozesse im Bereich der Kern-Mantel-Grenze).

Alle diese Meeresspiegelschwankungen und -stände auf dem offenen Ozean können als eustatisch bezeichnet werden. Dabei mag es global wirkende Effekte geben (thermische Ausdehnung und Schmelzwasserzufuhr z.B.) sowie regional wirkende Prozesse (Änderungen des Geoids, Meeresströmungen, Windsysteme, Evaporation). Deswegen spricht man vom Global Mean Sea Level (GMSL) oder vom Regional Mean Sea Level (RMSL). GMSL und RMSL lassen sich nur mit Satelliten-Altimeter vermessen, die aber erst seit vielleicht 15 Jahren vertrauenswürdige Ergebnisse liefern.

Im Bereich der Küsten hingegen wirkt nur ein relativer Meeresspiegel (RSL), der einerseits von den eustatischen regionalen Schwankungen abhängt, andererseits durch tektonische und sedimentäre Prozesse der Landmasse beeinflusst wird und alle drei Komponenten verantwortlich sind für die Küstendynamik. Dieser relative Meeresspiegel wird mit Gezeitenpegeln gemessen, wobei früher (also bis zum Jahr 2000) keine Korrektur durch die Landbewegungen stattfand. Seit dem 21. Jh. werden die Hebungen und Senkungen der Landmasse mit GPS gemessen und der Gezeitenpegel korrigiert. Allerdings sind auch heute noch die Fehler mit bis zu +/- 2 mm/a erheblich. Für die Landbewegungen werden mittlerweile verbesserte GPS-Daten verwendet, die mit dem Système d’Observation du Niveau des Eaux Littorales (SONEL) ermittelt werden (Watson 2017, 2016).

Viele Pegelmessungen sind sehr lückenhaft, nur wenige weisen eine kontinuierliche und vertrauensvolle Messung auf. Manche sind durch tektonische Bewegungen oder aber durch Überlastungen der urbanen Küstenbereiche (z.B. auf den Malediven, Malé) nicht mehr zu gebrauchen. Die ältesten Pegelmessungen stammen aus Brest aus dem 17. Jh. Brest und Cuxhaven gehören mit zu den wichtigsten und ältesten brauchbaren Pegeln in Europa. Douglas et al. 1992 raten dazu, Pegel-Messtrends nur für Zeitreihen ab mindestens 50 Jahre Dauer anzugeben, da ansonsten die Fehler zu groß werden. Insgesamt wird der durchschnittliche globale Meeresspiegelanstieg im 20. Jahrhundert von diversen Autorengruppen mit 1,1 bis 1,9 mm/a angegeben, was im natürlichen Bereich der letzten ca. 4000 Jahre liegt.

Die Auswahl und Anzahl von Pegeln zur Bestimmung des MSL erfolgen von Autor zu Autor verschieden. Dies führt zusammen mit den verschiedensten numerischen und technischen Korrekturverfahren zu erheblichen Unterschieden in den Ergebnissen wissenschaftlicher Studien (siehe unten). Die Korrekturverfahren selbst können umstritten sein. So wird zum Beispiel die von kritischen Autoren abgelehnte glazioisostatische Korrektur (GIA) auf der Grundlage eines globalen Modells nach Lambeck (1996) und Peltier (1998, 2001) bestimmt. Bei diesem wird die Auswirkung der glazioisostatischen Hebung Fennoskandias nach dem Abschmelzen der Eismassen in ihrer Wirkung als global interpretiert. Mörner (2015) hingegen verteidigt ein regionales Ausgleichsmodell. GIA Korrekturen sind für den offenen Ozean fernab von den ehemaligen Eisschilden Skandinaviens und Alaskas verschieden von denen in direkter Umgebung der Schilde. Genaue Korrekturwerte müssen interpretativ ermittelt werden.

Auch die Ermittlung des MSL auf Basis der Gezeitenschwankungen und Tidenhoch- bzw. –niedrigwässer erfolgt manchmal mit, manchmal ohne Faktoren.

Abb.: Aufbau eines Gezeitenpegels (Tide Gauge Measurement)

Erst in jüngerer Zeit konnten Pegelmessungen systematisch wissenschaftlich begleitet und zeitlich hoch aufgelöst werden (Jansen et al. 2011 für die Deutsche Bucht, Mitchell 2010 für den Südpazifik). Die meisten Studien nutzen numerische Verfahren mit vielen Korrekturen, die interpretativ zu verstehen sind. Andere Studien nutzen Satelliten-Altimetermessungen, die durch etliche Korrekturverfahren kaum noch als Messwerte zu bezeichnen und nicht unumstritten sind.

Neben den Gezeitenpegeln und Satellitendaten gibt es aber auch die Küstenmorphologie, die anhand kartografischer und sedimentgeologischer Aufnahmen vor-Ort Meeresspiegelschwankungen in der objektiven Realität auch hinsichtlich der Auswirkungen des RSL auf die Menschen und Küsten ermittelt. Auch dabei treten erhebliche Differenzen zu den Pegelstandsmessungen und vor allem zu den Satellitenaltimeterdaten bei Inseln auf offenem Ozean auf. Pegelmessungen können nur über viele Jahre hinweg interpretierbare Daten liefern. Kurzzeitig werden die Daten durch Winde, Sturmfluten, Tidenhochwässer beeinflusst, die einen Mean Sea Level (MSL) erst über längere Zeitreihen hinweg liefern. Auch sind die geologischen Bedingungen am Pegel von denen der kartierten Küstenbereiche verschieden, da die Gezeitenpegel typischerweise in befestigten Hafenbereichen stehen, wo eine natürliche Küstendynamik nicht stattfinden kann.

Insbesondere Inseln und bebaute Deltabereiche sind im erheblichen Maße von vertikalen Bewegungen z.B. durch die Baubelastung (Malediven) und/oder durch die Kompaktion der wasserführenden Sedimente (z.B. Bangkok, Jakarta oder westafrikanische Regionen im Nigerdelta) betroffen. Teilweise aber auch durch biologische Prozesse bei Koralleninseln oder durch tektonische Bewegungen oder durch magmatische Prozesse im Untergrund. Dazu kommen zerstörerische anthropogene Eingriffe ins Küstenmanagement, die erosive Strömungen und Wellengänge verursachen. Insbesondere der Eingriff in den Grundwasserhaushalt führt zu Küstenabsenkungen in den stark bewohnten Gebieten, wie z.B. in Jakarta. Auf manchen Inseln wird am Strand der Sand abgegraben, um dem Dorfältesten eine erhöhte Behausung – eine so genannte Warft – zu ermöglichen.

Nach Mörner 1976 und 1995 gehen die Meeresspiegelschwankungen und die großen Meeresströmungssysteme primär auf geodätische und glazioisostatische Eustasie und auf Änderungen der Erdrotation zurück. Letztere basiert zum einen auf dem Drehmoment der Erde bei unterschiedlich hohen Meeresspiegeln (-120 m in der Eiszeit!, Karusseleffekt) und auf Impulse durch das Schwanken der Sonnenwinde. N. A. Mörner sieht die Parallelität zwischen den Eddy-Zyklen und den ca. 1000-jährgen Temperaturzyklen nicht durch die Sonnenaktivitätsschwankungen gegeben, sondern primär durch die Impulsänderungen der Erde bei zu- und abnehmendem Sonnenwind. Dazu kommen Änderungen der Winkelmomente an der Grenze Erdkern-Erdmantel, die durch dynamische Strömungen im Kern verursacht werden. Ausdruck dieser Dynamik sind die regelmäßig auftretenden Wanderungen der magnetischen Pole. Diese physikalischen Prozesse bewirken Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit, welche wiederum über das Winkelmoment zwischen Ozeanboden und Meerwasser den Golfstrom und den pazifischen Kuroshio-Strom weiter oder weniger weit nach Norden lenken. Beschleunigt die Rotation, dann entsteht durch die Trägheit des Ozeanes und durch die stärkeren Zentripetalkräfte am Äquator ein kräftiger und warmer Äquatorialstrom von Ost nach West, der den Golfstrom zum Äquator drängt und die kalte Polarmeeresmasse nach Süden zieht. Bremst die Rotation ab, dann drängt der Golfstrom nach Norden.

Nach einer interessanten Theorie von N.A. Mörner (1976, 1995) lassen sich somit drei Phasen im seit dem letzten glazialen Maximum der Eiszeit unterscheiden:

1.  Im glazialen Maximum vor ca. 21.000 Jahren: Hohe Rotationsrate, da niedriger Meeresspiegel – Eiskappen bis weit nach Mitteleuropa hinein, während warme Äquatoriale Strömungen in den Topen Temperaturen wie heute ermöglichen. El-Nino-Southern-Oscillation – ENSO – Ereignisse fehlen in dieser Zeit oder sind keine dominate Komponente des Wettergeschehens.

2.  Um ca. 18.000 – ca. 6.500 Jahre vor heute: Anstieg des Meeresspiegel durch rapides Abschmelzen der Eiskappen: Rotation bremst ab, der Golfstrom schiebt sich nordwärts und wärmt Europa. Das Geoid verformt sich durch den starken Meeresspiegelanstieg, durch thermische Effekte und durch isostatische Ausgleichsbewegungen der Kruste (Fennoskandia – Alaska usw.).

3.  Mittleres Holozän, seit 6.500 Jahren: Die Bremswirkung nimmt ab, der Meeresspiegel stabilisiert sich wieder: Pulsierende Ozeanströmungen sorgen für einen Ausgleich der Wassermassen auf der Erde und werden durch sich austarierende Winkelmomente zwischen Ozeanboden und Wassermassen, sowie durch die Impulswirkung der Sonnenwinde zyklisch beeinflusst. ENSO-Ereignisse und andere ozeanische Oszillationen beginnen die Meerestemperaturen zu dominieren und damit auch den Meeresspiegel und die Lufttemperaturen.

Ob diese Theorie so stimmt, bleibt dahingestellt. Wissenschaft funktioniert nach dem Try-and-Error-Prinzip. Aber diese Vorstellung alleine zeigt bereits, wieviel mehr als nur CO2 eine Rolle spielt.

Für weiter zurückliegende Zeiten, also vor Millionen von Jahren gibt es Meeresspiegelschwankungen erster Ordnung mit sehr großen Amplituden von bis zu 200 m ü.NN, die auf den Superkontinentzyklus zurückzuführen sind. Höchststände liegen im Ordoviz und in der Kreidezeit, also vor ca. 450 und dann wieder vor ca. 90 Millionen Jahren. Diese großen Zyklen werden von solchen 2. Ordnung überlagert, die ebenfalls plattentektonische Ursachen haben (z.B. Aktivität der mittelozeanischen Rücken, Riftprozesse, regionaltektonische Bewegungen u.a.). Dann folgen die Zyklen 3. Ordnung mit einer zeitlichen Ausdehnung von bis zu mehreren Millionen Jahren. Diese lassen sich zunehmend sicher auf die orbitale Geometrie zwischen Erde und Sonne (Stichwort Milankovitch-Zyklen) sowie auf gravitativ bedingte Resonanzen zwischen den Planten zurückführen, insbesondere zwischen Erde, Mars und Jupiter. Hier hat die Astrochronologie in den letzten beiden Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht. Sie ermöglicht bis in die Jura- und Kreidezeit hinein eine Zeitmessung von Sedimentablagerungen, ähnlich wie dies bei Baumringanalysen der Fall ist. Der Meeresspiegel selber schwankt dabei glazioeustatisch, also bedingt durch das vereisen und schmelzen der Polgebiete. Alle diese Zyklen bilden sich global ab.

Die herunterladbaren Folien gehen auf Meeresspiegelschwankungen 4. Ordnung bzw. 5. Ordnung ein, die sekundär ebenfalls glazioeustatisch und primär durch die Milankovitch-Zyklizität gesteuert werden. Dabei soll aus der sedimentgeologischen Perspektive heraus die Küstendynamik als Reaktion auf Meeresspiegelschwankungen dargestellt werden.