Eine rätselhafte Kraft versetzt (Eis)berge am Nordpol? Als Studierende des Ozeans und der Atmosphäre am Geomar, lassen wir es uns nicht nehmen das Geheimnis um dieses bemerkenswerte Verhalten zu lüften. Folgen Sie uns auf eine spannende Reise von der Vergangenheit bis zu unserem Studienalltag, indem wir mit Tankexperimenten auf der Spur dieses Phänomens wandern.

Von Martje Hänsch, Selina Janner und Christiane Lösel

Als der Ozeanographie Student Vagn Walfrid Ekman vor ungefähr 100 Jahren in einer Vorlesung von Fridtjof Nansens Expedition und dessen Beobachtungen der mysteriösen Bewegung von Eisbergen erfährt, ist er sofort gebannt. Er macht sich daran das Geheimnis hinter der Kraft zu erforschen, die Eisberge versetzen kann.

Fridtjof Nansen brach im Jahr 1893 zu einer Nordpolarexpedition auf. Seine Idee war es, sich mit seinem Schiff “Der Fram” im Eis einfrieren zu lassen und dann in Richtung Nordpol zu driften. Klingt nach einer verrückten Idee? Das dachten auch viele andere Polarforscher zu Nansens Zeit und teilten ihm ihre Bedenken über dieses riesige Unterfangen mit. Aber Nansen ließ sich davon nicht abbringen und klar, welcher Abenteurer ist jemals zu revolutionären Erkenntnissen gekommen in dem er auf seine Zweifler gehört hat?

Am Ende gingen Nansens Berechnungen nicht ganz auf und er schaffte es nicht bis zum Nordpol zu treiben, trotzdem war seine Expedition legendär und seine wissenschaftlichen Erkenntnisse zahlreich. Zahlreich waren aber auch die Fragen, mit denen er zurückkam.

100 Jahre nach Nansen wissen wir immer noch viel zu wenig über den Nordpol. Deshalb startete im Herbst letzten Jahres die MOSAIC Expedition auf den Spuren von Nansen. Wissenschaftler verschiedener Länder stellen Nansens Expedition mit dem Forschungsschiff Polarstern nach.

Eine der offenen Fragen hat sich aber seit damals erklärt: die Frage nach der Bewegung von Eisbergen. So fiel Nansen auf, dass die Eisberge nicht mit der Windrichtung im Wasser trieben, wie man es erwarten würde, sondern in einem Winkel von 20–40° davon ab wichen. Warum ist das so?

Mit dieser Frage beschäftigte sich Ekman und erklärte sie schließlich durch die Ekman-Spirale. Auf der Erde gibt es die sogenannte Corioliskraft. Diese Kraft entsteht durch die Drehung der Erde. Auf der Nordhalbkugel lenkt sie eine Bewegung nach rechts ab, auf der Südhalbkugel nach links. Wie kann man sich das vorstellen?

Stellen wir uns vor, die sich drehende Erde wäre ein Karussell. Jetzt sitzen sich zwei Leute auf einem Karussell gegenübersitzen und werfen sich einen Ball zu. Der Ball kommt, nicht bei seinem Gegenüber an, selbst wenn man den Ball direkt auf ihn zuwirft. Er wird durch die Drehung des Karussells beeinflusst und abgelenkt. 

Nehmen wir nun an, dass der Ozean aus lauter dünnen übereinander liegenden Wasserschichten besteht. Die oberste Schicht ist dem Wind ausgesetzt und bewegt sich wie die Eisberge oben beschrieben. Die leichte Ablenkung nach rechts kommt durch die Corioliskraft zustande.Die darunter liegende Schicht bekommt keinen direkten Wind ab, aber die Bewegung des Wassers darüber. Die Bewegung der ersten Schicht ist quasi der Wind für die zweite Schicht. Und so wird diese noch etwas weiter nach Rechts abgelenkt da hier wieder die Corioliskraft wirkt. Das geht in den nächsten Schichten immer so weiter. Im Ganzen sieht so die Bewegung aus wie eine Spirale: Die Ekman-Spirale.

Auch heutzutage wandert man als Ozeanographiestudent auf den Spuren von Ekman. Dabei kann man seiner Kreativität freien Lauf lassen. So haben wir in einem Tankexperiment einen Versuch aufgebaut, um uns die Ekman-Spirale zu veranschaulichen.

Dafür versetzten wir einen runden mit Wasser gefüllten Tank mit Hilfe eines Lego-Motors als Antrieb in eine gleichmäßige Rotation. Beim Anschließenden Anhalten muss man sich nun auf den Kopf stellen. Was eigentlich die Reibung des Windes ist, entspricht bei uns der Reibung zwischen Wassersäule Tankboden. Wir erwarten also eine Ekman-Spirale, die sich vom Boden nach weiter oben ausbreitet. Und siehe da: die an verschiedenen Stellen verstreuten Farbkristalle werden rechts  zur Reibungskraft abgelenkt und bilden eine Spirale. Mit der Zeit reichen die Farbpartikel immer weiter in das  Innere des Tanks hinein. Das kann man von der Seite nach einer vollständigen Drehung erkennen.

Nun haben wir an unserem Experiment genau das nachgestellt, was mit den Eisbergen auf Nansens Expedition passierte: Die erste Schicht des Ozeans bewegt sich nicht mit dem Wind sondern je nach Hemisphäre leicht nach Rechts oder Links dazu. Dabei entsteht durch die Reibung zwischen den Wasserschichten eine Spirale in Richtung Ozeanboden. 

Ekmans Theorie war so wegweisend, dass sie bis jetzt Gültigkeit hat und von Studierenden des Ozeans und der Atmosphäre immer noch gelernt wird. Durch die Tankexperimente hatten wir die Chance uns auch einmal ein bisschen wie Ekman zu fühlen.