Anoxia und deren Ursache

Auf Grund der geographischen wie geologischen Beschaffenheit können sowohl Stoffeinträge, als auch Stoffausträge in bzw. aus dem Mittelmeer recht gut untersucht werden. Geochemische Untersuchungen der Sedimente zeigten bspw., dass es etwa alle 22 000 Jahre zu Klimaveränderungen gekommen ist. Diese Klimaveränderungen meinen zum einen ein feuchteres Klima mit geringem Staubeintrag durch die angrenzenden Wüstenregionen sowie zum anderen einen erhöhten Süßwassereintrag durch Regen und die angrenzenden Flüsse und insbesondere durch den Nil. Diese Informationen lassen sich den gewonnenen Sedimenten und insbesondere den in diesen Bohrkernen enthaltenen Sapropelen entnehmen.

Sapropele

Sapropele sind Faulschlämme (,,fauliges'' Sediment), welche aus sich zersetzender und zersetzter organischer Substanz bestehen. Die Sapropele im Mittelmeer entstanden sowohl durch eine erhöhte Bioproduktivität, als auch durch den Erhalt organischer Planktonreste unter anoxischen Bedingungen (siehe auch [BW99]).

Einfluss auf Sapropelbildung

Die Bildung der Mittelmeersapropele wird durch einen Mechanismus beeinflusst. Hierbei handelt es sich um die Veränderung der Erdbahnparameter. Dieses führt zu einer Veränderung der Insolation und diese wiederum zu einer Klimaveränderung. Diese Klimaveränderung hat ihrerseits Auswirkungen auf die Sedimentation.

Wie bereits erwähnt, wird das Mittelmeer auf Grund seiner Beschaffenheit als Randmeer durch die angrenzenden Flüsse und insbesondere durch den Nil beeinflusst. Am stärksten ist dieser Einfluss im fast vollständig isolierten östlichsten Teil des Mittelmeeres. Anhand der Verhältnisse der Elemente der vom Nil eingetragenen Partikel konnte belegt werden, dass der Einfluss des Nils auf die Sedimentation regelmäßigen Schwankungen unterliegt. Die vom Nil mitgeführten und so ins Mittelmeer eingetragenen Schwebstoffe weisen ein hohes Aluminium-Kalium-Verhältnis auf (siehe auch [WB00]). Die Sapropele verfügen über dieses hohe Al/K-Verhältnis und außerdem über ein erhöhtes Barium-Aluminium-Verhältnis, somit sind Sapropelereignisse zeitgleich mit einem erhöhten Eintrag des Nils aufgetreten ([WB00], siehe auch Abbildung 2 (unterer Teil)).

Eine Hypothese für die Erklärung der regelmäßigen Veränderungen lieferte Martine Rossignol-Strick. Sie fand heraus, dass die stärksten Monsunregen in Afrika fallen, wenn der boreale Sommer mit dem Perihel zusammenfällt und die schwächsten Monsunregen fallen, wenn der boreale Winter mit dem Perihel zusammenfällt. Die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Sapropelereignissen entspricht dabei der Präzession der Erdachse und somit ca. 22 000 Jahren.

Monsun

Den Begriff Monsun definiert C.S. Ramage (siehe auch [Ram71]) wie folgt: Monsungebiete sind solche Regionen, in denen im Januar und Juli ein Windereignis, welches die folgenden vier Punkte erfüllt, stattfindet.

  1. Die Hauptwindrichtung ändert sich zwischen Januar und Juli um mindestens 120°.
  2. Die gemittelte Häufigkeit der Hauptwindrichtung im Januar und Juli beträgt mindestens 40%.
  3. In den Monaten Januar und Juli muss eine Windgeschwindigkeit von mindestens 3 m/s in der resultierenden Windrichtung auftreten.
  4. In den Monaten Januar und Juli darf nur ein Zyklone-Antizyklone-Wechsel pro zwei Jahren auf einer Fläche von fünf Breiten- mal fünf Längengraden stattfinden.

Mit seiner Definition von 1971 grenzt er die 1957 von Chromov definierten Monsungebiete stark ein (siehe auch Abbildung 1).

Monsunregionen nach Ramage Abb. 1: Die Monsungebiete nach C.S. Ramage. Das Rechteck enthält alle Gebiete, in denen obige Definition (in allen Punkten) zutrifft. Diese Abbildung wurde [Ram71] entnommen.

Milankovitch-Zyklen

Die Periodizität der Sapropelereignisse ist abhängig von den so genannten Milankovitch-Zyklen (siehe auch Abbildung 2). Die (drei) Milankovitch-Zyklen beinhalten Exzentrizität, Obliquität und Präzession.

Milankovitch-Zyklen und Sapropelereignisse Abb. 2: Zusammenhang zwischen den Milankovitch-Zyklen und den Sapropelereignissen des Mittelmeeres. Diese Abbildung wurde dem Artikel [WWB] entnommen.

Die Exzentrizität beschreibt die Abweichung einer Ellipse von einem Kreis. Übertragen auf die Umlaufbahn der Erde um die Sonne bedeutet dies, dass sich die Erde sowohl im Perihel als auch im Aphel in einem Exzentrizitätsmaximum befinden kann, wenn die Umlaufbahn elliptisch ist und dass sich die Erde in einem Exzentrizitätsminimum befindet, sobald die Umlaufbahn eine Kreisform aufweist. Die Obliquität beschreibt die Neigung der Erdachse. Der Neigungswinkel ändert sich von 22.5° bis 24.5° über einen Zeitraum von etwa 41 000 Jahren. Momentan beträgt der Neigungswinkel der Erdachse 23.5°, d.h. das die Sonne während der borealen Sommersonnenwende direkt über 23.5°N steht, wobei dies den höchsten Punkt des Sonnenstandes in nördlicher Breite innerhalb des Jahres markiert. Da die Erde nicht die Form einer Kugel aufweist, sondern auf Grund ihrer Rotation an den Polen leicht abgeflacht ist, bewirken die Gezeitenkräfte von Mond und Sonne ein Drehmoment. Dieses versucht die Lage der Erdachse zu ändern - sie aufzurichten - und führt so zur Präzession der Erdachse. Für einen kompletten Präzession-Zyklus benötigt die Erde ein platonisches Jahr (rund 26 000 Jahre).
Die astronomischen Zyklen Exzentrizität, Obliquität und Präzession sind ,,verantwortlich'' für die Gesamtmenge der Sonneneinstrahlung sowie deren räumliche und saisonale Verteilung und somit auch für das Klima, welches stark durch die Sonneneinstrahlung beeinflusst wird.

Monsunzyklus

Wie lässt sich die Entstehung oben erwähnter Winderscheinungen erklären? Im Wesentlichen ist dies auf die unterschiedliche Erwärmung von Landmasse und Meer zusammen mit einer Ablenkung der Winde durch die Erdrotation zu erklären. Die Neigung der Erdachse verursacht eine starke jahreszeitliche Schwankung der einfallenden Sonnenenergie. Auch wenn auf Land und Wasser dieselbe Energiemenge trifft, so werden sich beide Massen aufgrund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften doch unterschiedlich erwärmen. Um die gleiche Menge Wasser zu erwärmen wird mehr Energie benötigt, als für Boden. Zudem kann Wasser mehr Wärmeenergie speichern. Während Wasser einen großen Teil der einfallenden Energie, auch aufgrund von Turbulenzen und Transparenz, in größere Tiefen abführen kann, wird an (trockenem) Land fast die gesamte einfallende Energie in den obersten Schichten gespeichert, da hier der Energietransport (sofern der Boden trocken ist) lediglich durch molekulare Diffusion erfolgen kann. Dafür kann der Boden im Winter die Wärme auch schnell wieder abgeben und somit relativ schnell auf Änderungen der Sonneneinstrahlung reagieren. Wie entsteht nun aus der unterschiedlichen Erwärmung ein Wind? Über dem sich stärker erwärmenden Land herrscht in einer bestimmten Höhe immer ein größerer Druck. Dadurch wird sich zum Druckausgleich die Luftmasse in Richtung Meer bewegen. Als Ausgleich strömt am Boden Luft vom Meer zum Land nach, wodurch sich schließlich eine Zirkulation ausbildet (vgl. auch Hadley-Zelle). Durch den Einfluss der Erdrotation werden die Luftmassen schließlich auf der Nordhalbkugel nach Osten und auf der Südhalbkugel nach Westen abgelenkt. Im Winter ergibt sich ein Wärmefluss vom nur langsam abkühlenden Ozean zur Atmosphäre, und der Vorgang sowie die Windrichtung kehren sich um.
Zusätzlich hat dabei noch die von den Monsunwinden mitgeführte Feuchtigkeit einen Einfluss auf die Stärke des Monsuns. Wird feuchte Luft vom Ozean auf das Land transportiert und steigt diese dort auf, so kommt es zu einer Kondensation wobei Wärme an die umgebende Luft abgegeben wird. Dadurch verstärkt sich der Temperaturunterschied zwischen Wasser und Land und damit die Luftströmung noch mehr.
Im April ist die Erwärmung am Äquator am stärksten. Da hier die Luft aufsteigt findet sich hier auch die Regenzone. Danach wandern die Sonne und damit auch der Regen dann nordwärts. Im Juni bzw. Juli ist die Zirkulation (und damit auch die Windgeschwindigkeit) dann am stärksten. Das Land wird immer mehr vom Regen durchnässt und damit dem Meer physikalisch ähnlicher. Dadurch kommt es auch innerhalb des Monsunjahreszyklus noch zu Intensitätsschwankungen. Im Dezember schließlich erfährt die Südhalbkugel die meiste Sonneneinstrahlung. Jetzt findet die Konvektion in den Gegenden mit größter Wassertemperatur, also in umgekehrter Richtung, statt. Sie erreicht analog im Januar ihre größte Stärke.
Ändert sich nun die Neigung der Erdachse, sodass die Nordhalbkugel stärker erwärmt wird, so fällt auch der Mittelmeerraum in den sonst weiter südlich liegenden Monsungürtel und diese Prozesse können sich hier (mit Nordafrika als Landmasse) ebenfalls ausbilden.

Staubstürme

Da das Mittelmeer im Süden und im Süd-Osten an Wüstenregionen grenzt, enthält das Mittelmeersediment einen entsprechend großen Anteil an durch Staubstürme eingetragenes Material (siehe Abbildung 3). Dieses Material enthält typischerweise Elemente wie Silizium, Titan und Zirkonium. Diese für den Wüstenstaub typischen Elemente sind jedoch in den Sapropelen sehr selten vorhanden, sodass daraus geschlussfolgert werden konnte, dass der Eintrag von Wüstenstaub zur Zeit der Sapropelbildung stark vermindert war (siehe auch [BW99]). Dies lässt sich mittels eines feuchteren Klimas insbesondere in den angrenzenden Wüstenregionen erklären.

  Abb. 3: Staubeintrag (4.5Mb) in das Mittelmeer durch die Sahara. Dieses Foto wurde im Zuge des Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS) Project aufgenommen und ist auf der Earth Observatory-Webseite verfügbar.

Ursachen der Sapropelbildung

Für den Vorgang und vor allem für die Ursache, welche zur Bildung von Sapropelen führte, existieren zwei mögliche Erklärungen. Zum einen das Stagnationsmodell und zum anderen die Zirkulationsumkehr.


Abb. 4: Stagnationsmodell im östlichen Mittelmeer. Diese Abbildung wurde dem Artikel [WWB] entnommen.

Abb. 5: Zirkulationsumkehr im östlichen Mittelmeer. Diese Abbildung wurde dem Artikel [WWB] entnommen.

Das Stagnationsmodell

Dem Stagnationsmodell (siehe Abbildung 4) liegt folgende Idee zu Grunde: Auf Grund des vorherrschenden Monsuns kam es zu einem erhöhten Frischwassereintrag. Zum einen durch den Regen und zum anderen durch die ans Mittelmeer angrenzenden Flüsse und insbesondere durch den Nil. Das eingetragene Süßwasser ist arm an 18O. Da das Frischwasser leichter ist als das vorhandene salzige Meerwasser, verblieb dieses nahe der Oberfläche. Eine Vermischung fand nur noch lokal durch den Einfluss von Wind und Wellen statt. Der gesteigerte Zufluss an Süßwasser reduzierte zudem das, für das Mittelmeer typische, Übermaß der Evaporation gegenüber dem Frischwassereintrag (excess evaporation). Dieses führte zur Reduktion des Salzgradienten im Oberflächenwasser von West nach Ost, da sich die Salinität auf Grund des erhöhten Frischwassereintrags verringerte. Mit fallender Salinität bedarf es allerdings einer stärkeren Abkühlung des Oberflächenwassers um eine Dichte zu erreichen, welche benötigt wird um vorhandenes salzhaltiges Zwischenwasser zu ersetzen. Jedoch stieg die Temperatur, sodass die salzgetriebene erste Phase der (Tiefenwasser-)Durchmischung zum Erliegen kam. Die zweite Phase der Tiefenwasserbildung bedarf jedoch der ersten Phase, sodass das ,,neue'' Wasser nicht mehr die benötigte Dichte aufweist, welche es benötigt um vorhandenes zu ersetzen. Anstatt dessen verbleibt das Oberflächenwasser über dem ,,alten'' Tiefenwasser, woraufhin dieses bspw. an Sauerstoff verarmte und anoxisch wurde. Das vorhandene organische Material konnte aufgrund der herrschenden anoxischen Bedingungen nicht mehr abgebaut werden und reicherte sich so im Sediment an, worauf hin sich Sapropele bilden konnten.

Die Zirkulationsumkehr

Das Modell der Zirkulationsumkehr (Abbildung 5) geht davon aus, dass sich die Richtungen der ein- und ausströmenden Wassermassen umgekehrt haben, da die Summe des Frischwassereintrags (Eintrag durch Niederschlag und Flusswasser) größer war als die Verdunstung und somit die Salinität verringert wurde. Dies bedeutet im Vergleich zum Stagnationsmodell jedoch, dass die biologische Produktivität angeregt worden wäre, da das biologische Material aus tieferen Schichten stets wieder an die Oberfläche gelangen würde. In diesem Modell erklären sich die Sapropele also durch eine erhöhte biologische Produktion und ein damit einhergehendes erhöhtes Vorhandensein biologischen Materials.


Abb. 4: Einfluss astronomischer Parameter auf Klima und Ozeanographie des Mittelmeeres (aus [Weh99]).

Während intensiven Sapropelereignissen kam es wahrscheinlich zu einer Umkehr der Zwischenwasserströmung, jedoch ist ein langfristiger Zusammenbruch des Tiefenwasseraustausches unwahrscheinlich (siehe auch [WWB]) und somit (momentan) das Modell der Zirkulationsumkehr die bessere Erklärung für die Ursache von Sapropelereignissen.

Wenngleich auch die genauen Bedingungen, die zur Ablagerung der Sapropelschichten führen nicht bekannt sind, so gibt es jedoch eine Vorstellung über die Kopplung der beteiligten Prozesse (vgl. Abbildung 4). Schwankt die Menge der eingestrahlten Sonnenenergie, so ändert sich auch das Klima. Für das Mittelmeer ist hier neben dem lokalen Klima auch der Afrikanische Monsun maßgebend. Das Klima im Mittelmeerraum beeinflusst die Vegetation der angrenzenden Landmassen und die Windrichtung und nimmt somit Einfluß auf den äolischen Eintrag in das Mittelmeer. Mit dem Klima ändert sich auch die Niederschlagsmenge und somit der Frischwasserzufluss und damit auch die Zirkulation des Mittelmeeres. Obwohl die Produktivität des Mittelmeeres sowohl durch Nährstoffe aus Flusseinträgen als auch aus äolischen Einträgen gespeist wird, ist die Zirkulation ein entscheidender Faktor für die Sauerstoffversorgung und bestimmt somit zusammen mit der Menge an organischem Material den Redoxzustand der Wassersäule. Letztere bestimmt über die Bildung von Sapropelen (vgl. [Weh99]).