Meeresoberflächentemperatur (SST)

Engl. sea surface temperature (SST), franz. température de surface de la mer; die Meeresoberflächentemperatur ist ein von der Molekülbewegung abhängiges Maß für die Energie in der obersten Schicht der Meere. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich um die Temperatur, die über die von der Meeresoberfläche emittierte Strahlung gemessen wird. Der Begriff ist häufig noch vage verwendet, z.T. widersprüchlich definiert. Die Temperatur bewegt sich von ungefähr -2 °C in den Polarregionen bis zu 32 °C in den Tropen.

Innerhalb der oberen Wasserschicht unterscheidet man folgende Partien:

• Die sog. skin SST (SST_skin), ein Temperaturwert, der innerhalb einer dünnen Wasserschicht von ca. 50 cm Mächtigkeit im Grenzbereich zwischen Ozean und Atmosphäre ermittelt wird. Die Schicht ist charakterisiert durch einen starken Temperaturgradienten als Folge des Wärmeaustausches zwischen Ozean und Atmosphäre. Folglich variiert SST_skin innerhalb der Schicht mit der Tiefe.
• Die sog. interface SST (SST_int), die Temperatur einer unendlich dünnen Schicht an der direkten Kontaktzone zwischen Ozean und Atmosphäre. Diese Schicht befindet sich an der Obergrenze der oben genannten Schicht mit SST_skin, sie kann mit aktueller Technik nicht gemessen werden.
• Die sog. sub-skin SST (SST_sub-skin), ein Temperaturwert, der an der Unterseite der SST_skin-Schicht auftritt. Er ändert sich im Zeitskalenbereich von Minuten und kann durch die Sonneneinstrahlung beinflusst werden.
• Die sog. subsurface SST (SST_depth), herkömmlich als bulk SST bezeichnet, ein Temperaturwert in einer jeweils anzugebenden Tiefe (z.B. SST_5m) unterhalb der SST_sub-skin-Schicht. Er kann stark von der lokalen Sonneneinstrahlung beeinflusst werden und ändert sich im Bereich von Stunden.

Die folgende Abbildung ist eine Geo-Polar Blended Sea Surface Temperature (GPB) Analyse, basierend auf einer Kombination aus mehreren infraroten Satellitensensoren im Geo- und Polarorbit sowie In-situ-Messungen. Aus diesen Satelliten- und In-situ-Daten wird ein tägliches Level-4 SST-Analysefeld auf einem globalen Gitter mit ca. 0,05° (~5 km) Auflösung mittels optimaler Interpolation erzeugt.

Geo-Polar Blended Sea Surface Temperature (GPB) Analysis Quelle: NOAA

Bedeutung der Meeresoberflächentemperatur

Da die Ozeane 71 Prozent der Erdoberfläche bedecken, messen Wissenschaftler die Meeresoberflächentemperatur (SST), um zu verstehen, wie die Ozeane mit der Erdatmosphäre interagieren. Die SST liefert grundlegende Informationen über das globale Klimasystem. Die SST ist ein wesentlicher (Eingangs-)Parameter für Wettervorhersagen und atmosphärische Modellsimulationen. Für die Datenassimilation der Modelle ist es wichtig, sowohl die SST als auch deren Genauigkeit möglichst präzise zu kennen.

Die Bestimmung der Meeresoberflächentemperatur oder Sea Surface Temperature (SST) gehört zu den grundlegenden Messungen in der Meteorologie, Klimatologie und Ozeanographie. Die Meeresoberflächentemperatur hat einen großen Einfluss auf den Austausch von Wärme, Feuchtigkeit, Impuls und Gasen zwischen Atmosphäre und Ozeanen. Die SST enthält Informationen über Meeresströmungen und Ozeanwirbel. Für die Beobachtung der Meereszirkulation sind die SST der bevorzugte Datentyp, da Meeresströmungen charakteristische Temperaturen besitzen.

Der Anstieg der Meerestemperaturen ist ein wichtiges Indiz für die Klimaerwärmung und die SST ist die Schnittstelle zwischen Ozean und Atmosphäre sowie ein Parameter für die Kopplung dieser beiden Systeme.

SST-Daten sind besonders nützlich, um den Beginn von ENSO-Zyklen zu erkennen. Während El Niño sind die Temperaturen im Pazifik in der Nähe des Äquators wärmer als normal. Während La Niña sind die Meerestemperaturen in demselben Gebiet kälter als normal. Diese Zyklen werden durch mehrjährige Veränderungen des Luftdrucks und der Windgeschwindigkeiten verursacht und beeinflussen die Ozeanzirkulation, globale Wetterverhältnisse und marine Ökosysteme.

SST-Messungen kommen einem breiten Spektrum operativer Anwendungen zugute, darunter Klima- und Saisonüberwachung/-vorhersage, militärische Verteidigungsoperationen, Validierung von Atmosphärenmodellen, Verfolgung von Meeresschildkröten, Bewertung der Korallenbleiche, Tourismus und kommerzielles Fischereimanagement.

Bestimmung der Meeresoberflächentemperatur

Um die SST zu messen, setzen Wissenschaftler Temperatursensoren auf Satelliten, Bojen, Schiffen, Meeresreferenzstationen und mittels mariner Telemetrie ein. Das von der NOAA geleitete US-amerikanische U.S. Integrated Ocean Observing System (IOOS®) und das NOAA Center for Satellite Applications and Research (STAR) führen ihre Daten zusammen, um weltweite SST-Daten bereitzustellen.

Vor den 1980er Jahren wurden Messungen der SST von Instrumenten an Küsten, auf Schiffen und auf Bojen durchgeführt. Die erste automatisierte Methode zur Gewinnung von SST-Daten erfolgte durch die Messung der Temperatur des Wassers, das durch Einströmöffnungen von Ozeanschiffen floss. Zwar lieferte diese Methode eine beträchtliche Menge an nützlichen Daten, so hatte sie auch Nachteile. Die Tiefe der Einlassöffnungen variierte von Schiff zu Schiff beträchtlich, was das Temperaturprofil in einem geschichteten Wasserkörper mit seinen unterschiedlichen Temperaturen nicht korrekt wiedergab. Auch führte die Methode zu einer gründlichen Datenerhebung entlang der wichtigsten Schifffahrtsrouten, aber gleichzeitig bestand ein Informationsmangel über die Verhältnisse im größten Teil der Ozeane.

Seither stammt die Masse der SST-Daten von Satellitenbeobachtungen. Instrumente wie das Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) an Bord der NASA-Satelliten Terra und Aqua umrunden die Erde etwa 14 Mal pro Tag, was sie in die Lage versetzt, mehr SST-Daten innerhalb von 3 Monaten zu sammeln, als alle anderen SST-Messungen zusammen, die es vor dem Aufkommen der Satellitentechnologie gab. In Abhängigkeit vom jeweiligen Sensor liefern uns satellitenbasierte Messdaten im Abstand von wenigen Tagen bis zu einer Woche regelmäßig einen globalen Überblick über die globalen Meeresoberflächentemperaturen. Satellitensensoren sind gut geeignet, die SST zu messen, da sie aus einer synoptischen Perspektive regelmäßig Daten liefern, die eine hohe räumliche und radiometrische Auflösung besitzen.

Satelliten messen die Meeresoberflächentemperatur (SST) hauptsächlich mit Infrarot-Radiometern, die die von der Wasseroberfläche emittierte Wärmestrahlung erfassen, da diese je nach Temperatur variiert. Wichtige Sensoren arbeiten im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums (z. B. bei 3,8 µm und 8,8 µm) und liefern Daten für Klimamodelle und die Beobachtung der Meeresströmungen. Missionsspezifische Instrumente auf Satelliten wie die Sentinel-Reihe liefern diese Daten.

Die Bestimmung der SST mit Hilfe von Satelliten bietet viele Vorteile: Während beispielsweise Bojen oder Schiffe nur punktuelle Messungen liefern können, ermöglichen Satelliten eine große räumliche Abdeckung eines Gebietes. Es ist möglich rößere räumliche Strukturen, wie die turbulente Durchmischung zweier Ozeanströmungen, zu erkennen. Die Satellitenmessungen erzeugen zeitlich und räumlich hoch aufgelöste, globale und relativ kontinuierliche Datensätze aus denen die SST abgeleitet werden kann.

Der Nachteil der Satellitenmeteorologie besteht darin, dass relevante Größen nur indirekt bestimmt werden können. Der gesuchte Wert muss aus den gemessenen Daten abgeleitet, „invertiert“, werden. Eine weitere Schwierigkeit bei der exakten Bestimmung besteht im Einfluss der Atmosphäre. Ein Signal von der Erdoberfläche, das vom Satelliten gemessen wird, muss die Erdatmosphäre erst durchqueren bevor es von der Kamera erfasst werden kann. Den größten Einfluss auf das gemessene Signal bei etwa 10 μm nehmen die 10 km mächtige Troposphäre und der darin enthaltene Wasserdampf (EMERY et al. 1994). In den Tropen kann die Abweichung zwischen gemessener SST und berechneter SST ohne Berücksichtigung der Strahlungsprozesse in der Atmosphäre bis zu 10 K betragen.

SST des europäischen Nordmeers in °C Die Animation ist mit Daten der amerikanischen Wettersatelliten aus der NOAA-Serie erstellt. Zeitraum: Januar 2003 - Juni 2004 Zum Starten der Animation auf Grafik klicken Quelle: BSH

Die Bewegung von elektrisch geladenen Teilchen erzeugt elektromagnetische Strahlung in verschiedenen Wellenlängen. Das elektromagnetische Spektrum umfasst den ganzen Bereich dieser Wellenlängen. Von den längsten bis zu den kürzesten Wellenlängen unterscheidet man Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotwellen, den Bereich des sichtbaren Lichts, ultraviolette Strahlung, Röntgen- und Gammastrahlung. Der Ozean und die meisten anderen Objekte emittieren Strahlung im Bereich des Infrarots und der Mikrowellen. Die Amplituden dieser Wellenlängen variieren mit der Meerestemperatur und können daher für deren Messung herangezogen werden. Satellitensensoren können diese Bänder vom Weltall aus messen. Infrarotstrahlung kommt von den oberen 10 Mikron der Meeresoberfläche. Mikrowellenstrahlung entstammt der obersten 1 mm-Schicht. Im Vergleich zu Mikrowellensensoren haben satellitenbasierte Infrarotsensoren eine bessere räumliche Auflösung, sind aber anfälliger für Verunreinigungen durch Wolken. Dies liegt an der Absorption der vom Ozean emittierten Infrarotstrahlung durch die Wolken.

Heute gibt es neben den satelliten- und schiffsbasierten Messungen tausende von Treibbojen in den Ozeanen zur Messung von Temperatur und Salinität. Sie werden zur Validierung der Satelliteninstrumente verwendet und natürlich zur Beprobung der Wassersäule. Die Oberflächen-Treibbojen des Global Drifter Program (GDP) liefern regelmäßig pro Monat etwa 60.000 nächtliche SST-Messungen aus einer Tiefe von 0,2 m, was den umfangreichsten Beitrag zu den in situ-Messungen von SST, Salinität und Meeresströmungen darstellt.

Eine wichtige Errungenschaft bei der Verteilung der von Satellitensensoren abgeleiteten SST stellt das Projekt „Group for High Resolution Sea Surface Temperature” (GHRSST) dar. In dem Projekt werden alle SST-Datensätze in einem gängigen Format zur Verfügung gestellt, was den leichten Zugang von unterschiedlichen Computerplattformen aus ermöglicht. Zur Bereitstellung von Datensätzen, die zur Klimamodellierung geeignet sind, ist es erforderlich, dass die Aufzeichnungen der Klimadaten auch eine Beschreibung der Fehler auf Pixelbasis enthalten, die mit den SST-Werten einhergehen.

Die thermische Vertikalstruktur der obersten 10 m der Ozeane kann sehr komplex und höchst variabel sein. Der SST-Wert kann deutlich variieren, und zwar in Abhängigkeit von der vertikalen Position der Messung, des eingesetzten Sensortyps (unterschiedliche Eindringtiefen), der Tageszeit vor Ort und der lokalen Verhältnisse an der Schnittfläche Ozean/Atmosphäre. Solche Faktoren machen die Vermengung von verschiedenen Satellitendatensätzen und in situ-Datensätzen schwierig.

Die hypothetischen Vertikalprofile für die Temperatur der oberen 10 m an der Ozeanoberfläche Rote Linie: Zustand unter Starkwindbedingungen oder bei Nacht Schwarze Linie: Zustand bei schwachem Wind bei Tag Quelle: GHRSST

Zu den Sensoren, die satellitengestützt die Meeresoberflächentemperatur messen, gehören SLSTR, AATSR, AMSR, ATSR, AVHRR, SEVIRI, TMI. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer geometrischen und temporalen Auflösung, sowie ihrer Allwetterfähigkeit.

Infrarotsensoren wie AVHRR besitzen allerdings nicht die Fähigkeit durch Wolken zu 'sehen'. Der TMI auf NASAs Tropical Rainfall Measuring Mission Satellit, war das erste gut kalibrierte Mikrowellenradiometer, das durch die Wolkendecke hindurch genaue SST-Messergebnisse erzielte. NASDAs AMSR-E auf dem NASA-Satelliten AQUA war dann das erste Mikrowellenradiometer, das diese Fähigkeit weltweit einsetzte.

Relevante Satellitenmissionen

Zwischen der Meeresoberflächentemperatur und der Meeresoberflächentopographie besteht keine direkte Beziehung, die es erlauben würde, den einen Wert in den anderen zu konvertieren. Obwohl eine Änderung der Meeresoberflächentemperatur eine Änderung der Meeresoberflächentopographie verursacht und dies nährungsweise berechnet werden kann, so kann doch die effektive Topographie nicht aus der Temperatur alleine abgeleitet werden. Die Meeresoberflächentemperatur repräsentiert die Temperatur in den oberen Zentimetern der Wassersäule, und die Temperatur kann sich mit zunehmender Tiefe dramatisch ändern. Hingegen bezieht die über die Altimetrie ermittelte Meeresoberflächenhöhe indirekt die Temperaturen aller Tiefen ein und zusätzlich andere Parameter wie Salinität und Meeresströmungen.

Die weltweiten Daten der Temperaturen unterhalb der Meeresoberfläche werden überwiegend von fest verankerten Bojen (moorings) und von Treibbojen (drifter) erhoben. Verankerte Bojen sind gut zur Erhebung von Zeitreihen für verschiedene Tiefen entlang der Wassersäule an einem durch Koordinaten definierten Ort. Die Mehrzahl der tieferen Temperaturmessungen werden von Treibbojen durchgeführt. Es gibt über 3.000 Drifter in den Weltmeeren. Drifter werden gewöhnlich an einer bestimmten Stelle ausgesetzt, wonach sie bis zu einer vorbestimmten Tiefe absinken, in der sie eine Zeitreihe von Temperaturmessungen erstellen während sie in dieser Tiefe mit der Strömung treiben.

Wenn an einer bestimmten Region oder Strecke Interesse besteht, können autonome Gleiter und/oder propellergetriebene Fahrzeuge zum Einsatz kommen. Sie tragen Rekorder zur Speicherung der Temperaturdaten, sowie Tiefen- und Salinitätssensoren, Uhren und GPS. Mit derartigen Fahrzeugen können Wissenschaftler bestimmte Routen für ihre Messungen planen.

Weitere Informationen:

• Physical Oceanography DAAC - Startseite (NASA JPL)
• JPL PO.DAAC Sea Surface Temperature - Links zu diversen SST-Seiten (NASA)
• Meeresoberflächentemperatur (BSH)
• Temperatur der Meeresoberfläche (Copernicus)
• The Gulf Stream Seen Through Sea Surface Temperature (NOAA 2016)
• Exactly the same, but completely different: why we have so many different ways of looking at sea surface temperature (Di Liberto, Tom, NOAA 2015)
• Our oceans are in hot water (ESA 2023)
• Sea Surface Temperature (SST) (eoPortal)