Grönländischer Eisschild

Abb. 1: Gletscherzunge der Auslassgletscher Karal und Knut Rasmussen an der Ostküste Grönlands

Abb. 2: Änderung der Massenbilanz des Grönländischen Eisschildes 2002-2025

Historische und aktuelle Änderungen

Im gegenwärtigen Klima gibt es auf der Erde nur die beiden Eisschilde auf Grönland und der Antarktis. Während der letzten Kaltzeit lagen auch über große Teile Nordamerikas und Eurasiens mächtige Inlandeismassen, und das Eisvolumen während des letzten glazialen Maximums um 21000 Jahre vh. war mehr als doppelt so groß wie heute. Während dieser Zeit war das Eisvolumen Grönlands so groß, dass es bei seinem Abschmelzen einen Meeresspiegelanstieg von 12 m bewirkt hätte. Die heutige Eismasse Grönlands würde nur zu einem Anstieg von 7,4 m führen. Auf einer Fläche von 1,7 km² speichert der Grönländische Eisschild eine Eismasse von 3 Mio. km³.

In den letzten Jahrzehnten hat der Eisschild auf Grönland deutlich an Masse verloren. Höhen- und Schwerefeldmessungen durch Satelliten zwischen 2003 bis 2023 haben einen Massenverlust von 4362 Mrd. Tonnen Eis festgestellt. Das entspricht einem Meeresspiegelanstieg von 1,2 cm, über alle Ozeane verteilt. Die Ränder des Eisschilds verloren einige Meter an Höhe, die in den Ozean mündenden Auslassgletscher wurden sogar um 20-40 m dünner. Der Jakobshavn Isbrae an der Westküste Grönlands verlor eine Höhe von fast 70 m.

Anders als bei der Antarktis ist das aufgrund der geographischen Lage um 10-15°C wärmere Klima Grönlands eher fremdbestimmt und wird stark durch die nordamerikanische und eurasische Landmasse und vor allem den Nordatlantik beeinflusst. Einerseits sind daher die Niederschläge deutlich höher als über der Antarktis, andererseits gibt es im Sommer umfangreiche Schmelzvorgänge an der Oberfläche, die sich über nahezu die Hälfte des Eisschildes erstrecken können und deren Wasser größtenteils ins Meer abfließt. Ein anderer Teil des Eises geht auch durch Kalben und Gletscherabflüsse ins Meer verloren. Während der antarktische Eisschild mit Ausnahme einiger Randgebiete der Westantarktis nur sehr verzögert auf Klimaänderungen reagiert, zeigt der Eisschild auf Grönland deutlich stärker die Folgen des aktuellen Klimawandels.

Abb. 3: Oberflächen-Massenbilanz (SMB=Surface Mass Balance) in Gt/Jahr (blau), Eisabfluss (D=Discharge) in Gt/Jahr (rot) und gesamte Massenbilanz (SMB-D) in Gt/Jahr (lila).

Überblick über die Ursachen

Das Abschmelzen der Eismassen auf Grönland geschieht durch zwei grundlegend verschiedene Prozesse:

1. Das Eis schmilzt an der Oberfläche des Eisschilds ab. Daran sind verschiedene Prozesse beteiligt.

• Atmosphärische Prozesse: Die Lufttemperatur nimmt zu, und es fällt mehr Regen als Schnee.
• Durch schneefreie Eisoberflächen, Ruß- und Staubablagerungen und Algenblüte verringert sich die Albedo. Es werden mehr Sonnenstrahlen absorbiert, die das Schmelzen verstärken.
• Geologische Prozesse: Durch das Abschmelzen des Eises sinkt die Eisoberfläche auf geringere Höhen ab. Dort ist es wärmer, wodurch mehr Eis abschmilzt. Diesem Vorgang wirkt in geringerem Maße entgegen, dass durch das Abschmelzen von Eis der Untergrund entlastet wird und sich etwas anhebt.

2. Der Grönländische Eisschild ist über 3000 m hoch. Dadurch fließt das Eis langsam Richtung Meer ab.

• Schmelzwasser kann durch Gletscherspalten bis auf den Boden gelangen und das Abfließen beschleunigen.
• Durch die Randgebirge ins Meer mündende Gletscher nennt man Auslassgletscher. Sie werden durch die wärmere Luft über dem Wasser und durch das warme Ozeanwasser weiter abgeschmolzen.
• Schwimmende Gletscherzungen brechen durch Kalben ab und lösen sich im Meerwasser auf.

Abschmelzen an der Oberfläche

Der Massenverlust des Grönländischen Eisschilds wird zunehmend durch eine verstärkte Oberflächenschmelze dominiert. Während der letzten 40 Jahre wurden rund 35 % des beobachteten Massenverlusts auf Veränderungen der Oberflächenmassenbilanz zurückgeführt, und 65 % auf eine Zunahme der Abflussströme des Eisschilds. Im Zeitraum 2009–2012 hat der Anteil des Abschmelzens an der Oberfläche auf 68% zugenommen. Das Abschmelzen an der Eisoberfläche hat nach 1990 um ca. 8 Gt pro Jahr zugenommen. Besonders stark war die Zunahme durch extreme Schmelzereignisse wie 2012, 2019 und 2023 mit über 100 Gt/Jahr.

Wetterlagen

Das Abschmelzen ist stark durch den Zustand der Atmosphäre über dem Eisschild bedingt. Auf Grönland wirken sich dabei die Veränderungen in der Arktis aus. Keine Großregion der Erde hat sich so stark durch den Klimawandel erwärmt wie die Arktis. Im Vergleich zum globalen Durchschnitt war die Erwärmung in der Arktis fast viermal so stark. Auch die Niederschläge und besonders extreme Niederschläge haben zugenommen. Durch die höheren Temperaturen fallen die Niederschläge zunehmend als Regen. Durch höhere Temperaturen und Regen geht die Schneebedeckung zurück. So hat die Dauer der Schneebedeckung seit den 1960er Jahren um 50% abgenommen.

Abb. 4: Höhenänderung der Oberfläche Grönlands durch das Abschmelzen von Eis in m/Jahr. 2012 und 2019 waren die Jahre mit dem stärksten Abschmelzen an der Oberfläche des Eisschildes.

Eine wichtige Rolle für das lokale Klima über Grönland spielen kurzfristige Wetterlagen, deren Trend auf ein verändertes Klima weist. Ein besonderes Ereignis war der erste Regen am 14. August 2021 über dem höchsten Punkt des grönländischen Eisschildes. In einer Höhe von 3.216 m erreichte die Temperatur an diesem Tag +0,5°C über dem Gefrierpunkt und lag damit rund 15°C über dem langfristigen Mittel für den Monat August. In jüngster Zeit kam es in den Jahren 2012, 2019 und 2023 zu extremen Schmelzereignissen. 2012 wurden mehr als 20 Gt Schmelzwasser erzeugt und 98,6% der Fläche Grönlands waren vom oberflächlichen Abschmelzen betroffen.

Als Ursache für die extremen Schmelzereignisse werden Änderungen der atmosphärischen Zirkulation diskutiert. Durch sie entstünden Atmosphärische Flüsse, die feucht-warme Luftmassen vom Nordatlantik nach Grönland lenken. Beim Anheben über dem Eisschild kühlen diese sich ab und bilden Wolken. Die Wolkendecke führt zu einer erhöhten abwärts gerichteten langwelligen Strahlung, was Erwärmung in Bodennähe und Schmelzprozesse bewirkt oder das Wiedergefrieren verhindert.

Aber auch ein wolkenloser Himmel kann eine Erwärmung und das Abschmelzen von Eis verstärken, da dadurch die direkte Sonneneinstrahlung erhöht wird. Solche Situationen sind oft mit blockierenden Hochdruckgebieten verbunden, in denen Luftmassen absinken und sich dadurch erwärmen. Bei allen drei extremen Schmelzereignissen der Jahre 2012, 2019 und 2013 spielten Hochdruckverhältnisse eine Rolle. Durch den Klimawandel wird es zu häufigeren Hochdruckverhältnissen kommen. Die Hochdruckgebiete verharren zunehmend durch sich abschwächende großräumige Luftströmungen am selben Ort und sorgen für stabiles Strahlungswetter. U.a. sind blockierende Hochdruckwetterlagen mit einer sich abschwächenden Nordatlantischen Oszillation (NAO) in Verbindung gebracht worden.

Änderungen der Oberflächenalbedo

Das Abschmelzen des Grönlandeises wird auch dadurch verstärkt, dass die Eisoberfläche dunkler wird und damit weniger Sonnenstrahlung reflektiert und mehr absorbiert. Dadurch erwärmt sich die Luft über dem Eis. Der wichtigste Grund ist das Abschmelzen selbst. Eine mit Neuschnee bedeckte Eisoberfläche besitzt eine Albedo von bis zu 95%, d.h. sie reflektiert 95% der Sonneneinstrahlung. Sauberes blankes Eis weist nur noch eine Albedo von 45-55% auf, absorbiert also die Hälfte der Solarstrahlung. Wenn dieses Eis noch durch Ruß, Staub und Algenwachstum verschmutzt wird, kann die Albedo noch weiter auf 27% sinken. Zusätzlich können sich dunklere Flächen auch dadurch bilden, dass sich das Schmelzwasser in Seen auf der Oberfläche des Eisschildes sammelt.

Rußablagerungen entstehen vor allem durch Waldbrände. Diese treten in jüngster Zeit als Busch- und Moorbrände auch auf Grönland auf wie z.B. im August 2017. Hauptsächlich sind jedoch die großen Waldbrände in den letzten Jahren in Kanada und anderen arktischen Regionen für Rußablagerungen auf dem grönländischen Eis verantwortlich. Rauchschwaden der Rekord-Brände in Kanada 2023 reichten bis nach Europa. Ein viel untersuchtes Phänomen auf dem grönländischen Eisschild ist das Algenwachstum, das zu einer dunkleren Oberfläche führt und mehr Sonnenlicht absorbiert. Das Wachstums purpurfarbenen Algen wurde seit 20 Jahren beobachtet. Es wird angetrieben durch zunehmende Phosphor- und Stickstoffnährstoffe, die vor allem aus dem abschmelzenden älteren Eis freigesetzt werden.

Höhen-Rückkopplung

Aktuell liegt der Großteil der grönländischen Eisoberfläche aufgrund der Mächtigkeit des Eisschildes in einer Höhe, in der es wie im Gebirge ganzjährlich kalt ist. Je weiter das Eis jedoch abschmilzt, desto weiter sinkt auch die Oberfläche des Eisschilds ab, was an den Rändern schon passiert ist. Werden die Luftschichten an der Eisoberfläche mit geringerer Höhe wärmer, führt das zu einer Beschleunigung der Schmelze. Diese Schmelz-Höhen-Rückkopplung stellt einen Zusammenhang zwischen Eisdicke und Schmelzraten dar. Je geringer die Oberflächenhöhe, desto höher sind die Schmelzraten. Das führt zu einer Ausdünnung des Eises, wodurch die Eisoberfläche auf eine noch geringere Höhe absinkt, die Temperatur ansteigt und die Schmelzraten weiter zunehmen.

Dieser Schmelz-Höhen-Rückkopplung wirkt jedoch ein anderer Prozess entgegen. Durch das Abschmelzen von Eis ändert sich die Eislast auf den Felsuntergrund. Das löst eine sehr langsame Anhebung des Felsuntergrunds aus, die sich über lange Zeiträume von Hunderten bis Tausenden von Jahren erstreckt. Die aktuell beobachteten Hebungsraten in Grönland liegen zwischen 5,6 und 18 mm pro Jahr. Dabei spielen sich die Anhebungsraten auf zwei unterschiedlichen Zeitskalen ab. Einerseits wirkt sich heute noch immer die Entlastung durch die abgeschmolzenen Eismassen am Ende der letzten Eiszeit vor ca. 11.000 Jahren aus. Andererseits reagiert der Felsuntergrund auch auf aktuelle Entlastungen, wie z.B. bei dem extreme Schmelzereignis des Jahres 2012.

Eisdynamik

Neben Abschmelzprozessen spielen dynamische Veränderungen des Eisabflusses eine wichtige Rolle. Von dem Eisverlust von 60 km³ (Kubikkilometer) pro Jahr Mitte der 1990er Jahre waren etwa 24 km³ dynamisch bedingt; um das Jahr 2000 gingen von den 80 km³ Eisverlust pro Jahr bereits 34 km³ auf das Konto des verstärkten Eisabflusses. Davon wurden allein 10 km³ pro Jahr durch die Abflussveränderungen eines einzigen Gletschers, des Jakobshavn Isbrae an der Westküste, verursacht, dessen Abflussgeschwindigkeit sich in wenigen Jahren (1997-2002) von 7 auf 12 Kubikkilometer pro Jahr erhöhte. In den letzten Jahren sind zwei Gletscher an der Ostküste mit ähnlichem Verhalten hinzugekommen, der Kangerdlugssuaq und der Helheim-Gletscher.

Abb. 4: Rückzug des Jakobshavn Isbrae 1851-2010 an der Westküste Grönlands

Die unmittelbaren Ursachen für die stärkere Dynamik der Eisströme sind vielfältig und noch keineswegs ganz verstanden. Mit hoher Wahrscheinlichkeit liegen ihnen aber die höheren Luft- und Wassertemperaturen seit Mitte der 1990er Jahre zugrunde. Entgegen dem globalen Trend erlebte Grönland eine Abkühlung von den 1930ern bis zur Mitte der 1990er Jahre, seitdem aber einen deutlichen Temperaturanstieg, der allerdings die außergewöhnliche Erwärmung der 1930er Jahre noch nicht erreicht hat. In jedem Fall zeigen die Beobachtungen der letzten 10 Jahre aber, dass ein relativ mäßiger Temperaturanstieg von ca. 1 °C erhebliche Folgen für die Massenbilanz des Eisschildes haben kann.

Eine wichtige Folge der Erwärmung ist das Abschmelzen und Zerbrechen des vorgelagerten Eisschelfs, das zur Instabilität der an der Küste mündenden Auslassgletscher führt. Eine ähnliche Folge ist die Destabilisierung von Gletscherzungen, die direkt ins Meer münden. Wahrscheinlich sind diese Prozesse hauptsächlich angetrieben durch wärmeres Ozeanwasser, das bis zur Aufsetzlinie unterhalb der schwimmenden Gletscherzunge vordringt und dort zu Abschmelzprozessen führt und die Aufsetzlinie, wie in Abb.4 gezeigt, immer weiter zurückverlegt. Berechnungen an einzelnen Gletschern haben gezeigt, dass die submarinen Abschmelzprozesse wesentlich größer sind als die Eisschmelze an der Oberfläche. Bei einer Erwärmung des Ozeanwassers von 3 °C ist damit zu rechnen, dass einige hundert Meter der ins Meer mündenden Eiszungen pro Jahr abgeschmolzen werden. Auch das Kalben von Eis wird durch submarines Abschmelzen höchstwahrscheinlich stark beschleunigt.

Ein weiterer Antrieb liegt in dem zunehmenden Eindringen von Schmelzwasser in Eisspalten bis auf den Grund, wo es unter dem Eis eine Art Schmierfilm bilden und damit die Abflussgeschwindigkeit der Gletscher beschleunigen kann. Die beobachtete Beschleunigung der Gletscherströme sind allerdings noch zu jung und die Datenreihen zu kurz, um mit Sicherheit zu entscheiden, ob es sich um eine kurzfristige Schwankung oder einen längeren Trend handelt. Untersuchungen zum jahreszeitlichen Verhalten der Schmelzprozesse lassen allerdings vermuten, dass in einem wärmeren Klima das Wasser noch weiter im Inland unter den Eisschild gelangt und die Bewegung der Eismassen beschleuinigen könnte.

Abb. 5: Eisbedeckung auf Grönland, gegenwärtig (2008) und im Jahr 3000 nach den Szenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5. Blau-Weißfärbung: Wahrscheinlichkeiten der Abschätzung für die Eisbedeckung unter 16, um 50 und über 84 %. Z.B. nach dem Szenario RCP8.5 gibt es nur noch eine weniger als 16%-Wahrscheinlichkeit für eine Eisbedeckung im nordöstlichen Grönland.

Projektionen

Das Abschmelzen von Eis und die globalen Folgen gehören zu den ‚großen wissenschaftlichen Herausforderungen‘ des Weltklimaforschungsprogramms. In den neuen Erdsystemmodellen für den 6. Sachstandsbericht des Weltklimarats IPCC, der ab 2021 erschienen ist, werden daher auch dynamische Eisschildmodelle einbezogen. Im Mittelpunkt stehen dabei die komplexen Feedbackprozesse zwischen Eisschild und Atmosphäre und Eisschild und Ozean. Heutige Eisschildmodelle erfassen einigermaßen gut die Oberflächenmassenbilanz, also den Prozess von Schneefall und Abschmelzen an der Oberfläche des Eisschilds in Wechselwirkung mit atmosphärischen Prozessen. Ein schwieriges Problem bleibt jedoch weiterhin die Simulation der komplexen Wechselwirkungen zwischen dem Ozean und den im Meer mündenden Auslassgletschern. Hier sind zum einen die physikalischen Prozesse beim Kalben nicht vollständig verstanden und zum anderen müssten die Modelle noch höher aufgelöst gerechnet werden, um diese Prozesse adäquat abzubilden. Ein verbessertes Verständnis bedarf es auch bei den ozeanischen Prozessen, die den Transport von warmem Wasser vom offenen Ozean bis in die Fjorde und an die Gletscherfronten bestimmen und damit entscheidend zum Abtauen der Auslassgletscher beitragen.

Die seit dem 5. Sachstandsbericht des IPCC gerechneten Modelle stimmen darin überein, dass der Eisverlust Grönlands im 21. Jahrhundert unabhängig von den Szenarien stärker durch das oberflächliche Abschmelzen als durch die Eisdynamik bestimmt sein wird. Auf der Grundlage dieser Modellstudien wird nicht erwartet, dass der Grönländische Eisschild in einem RCP8.5-Szenario mehr als 20 cm zum globalen Meeresspielanstieg im 21. Jahrhundert beitragen wird. Nach jüngsten Projektionen mit einem Ensemble von Modellen für den 6. IPCC-Bericht wird der Grönländische Eisschild bis 2100 bei dem hohen Szenario RCP8.5 etwa 10 cm und bei dem niedrigen Szenario RCP2.6 ca. 3 cm zum globalen Meeresspiegelanstieg beitragen. Dabei zeigen sich nach Simulationen mit dem Szenario RCP8.5 über den Zeitraum 2015-2100 am Rande des Eisschildes starke Dickenabnahmen durch zunehmenden Schmelzwasserabfluss und den Rückzug der ins Meer mündenden Gletscher. An den äußeren, direkt ans Meer grenzenden Rändern ist die Höhenabnahme am größten und beträgt mehrere hundert Meter, während der Eisschild im Innern durch Schneeakkumulation um bis zu 10 m an Mächtigkeit gewinnt.

Eine Untersuchung über den Eisverlust Grönlands über die nächsten 1000 Jahre kommt schon für das 21. Jahrhundert zu etwas abweichenden Ergebnissen. Bis 2100 könnte Grönland hiernach je nach Szenario 5-33 cm zum globalen Meeresspiegelanstieg beitragen und wird nach dem hohen RCP8.5-Szenario in Tausend Jahren sehr wahrscheinlich eisfrei sein (Abb. 5). Grönlands Beitrag zum Meeresspiegelanstieg über die nächsten 1000 Jahre würde bei 5-7 m liegen. Im 21. Jahrhundert wird hiernach der Massenverlust des Eisschildes etwa zu gleichen Teilen durch Schmelzwasserabfluss und Eisdynamik (Kalben und frontales Abschmelzen) bedingt sein. Bei dem Szenario RCP8.5 wird die Eisdynamik dann immer wichtiger und die Schlüsselkomponente über die nächsten Jahrhunderte darstellen.

Abb. 6: Grönländischer Eisschild im Eem nach zwei Modellsimualtionen. Die Zahlen unten rechts beziehen sich auf die geologische Zeit in Tausend Jahren vh.

Grönland in der geologischen Vergangenheit

Interessant sind in diesem Zusammenhang auch Studien über die Verhältnisse in früheren Warmzeiten, die ähnliche Klimaverhältnisse aufweisen, wie sie durch den anthropogenen Klimawandel für das 21. Jahrhundert und später erwartet werden. Der Gegenwart am nächsten liegt dabei das Eem, die Warmzeit vor der letzten Eiszeit, die von 129 000 bis 116 000 Jahre vh. dauerte. Die globalen Temperaturen waren ca. 0,5-1,0 °C höher als heute. Über große Teile der Arktischen Landgebiete war es in dieser Zeit 4-5 °C wärmer, im Norden Grönlands sogar bis zu 8 °C. Die Eisdicke auf Grönland wurde im frühen Eem auf 130 m niedriger als heute geschätzt, der Meeresspiegel auf 6-9 m höher, woran die Antarktis große Anteile hatte. Die Ergebnisse von Modellrechnungen zum Anteil Grönlands liegen mit 0,4-5,6 m weit auseinander. Ebenso zeigen die Modelle große Unterschiede bei der Ausdehnung des Grönländischen Eisschildes (ABB. 6).

Ähnlich wird auch die warme Periode des mittleren Pliozäns (3,3-3,0 Mio. Jahre vh.) als Vergleich herangezogen. Die Temperaturen waren 2-4 °C höher als vor der Industrialisierung und die CO₂-Konzentration lag bei 300-450 ppm. Nach dem 5. Sachstandsbericht des Weltklimarates IPCC lag der globale Meeresspiegel wahrscheinlich um ca. 14 m, jedoch nicht mehr als 20 m höher als gegenwärtig. Modellsimulationen des Grönländischen Eischilds zeigen ein breites Spektrum von fast heutiger Ausdehnung bis zu einem eisfreien Grönland. Mittelwerte über alle Modelle ergeben einen stark reduzierten Eisschild, der sich über den Nordosten der Insel ausbreitet, verbunden mit einem Meeresspiegelanstieg nur durch den Beitrag des Grönländischen Eises von ca. 2,2-4,4 m.

Literatur

• Wilhelms, F. (2015): Geschichtliche und aktuelle Veränderungen des Grönländischen Eisschildes. In: Lozán, J. L., H. Grassl, D. Kasang, D. Notz & H. Escher-Vetter (Hrsg.). Warnsignal Klima: Das Eis der Erde. pp.224-230
• Mayer, C. & H.Oerter (2006): Die Massenbilanzen des grönländischen und antarktischen Inlandeises und der Charakter ihrer Veränderungen, in: José L. Lozán / Hartmut Graßl / Hans-W. Hubberten / Peter Hupfer / Ludwig Karbe / Dieter Piepenburg (Hrsg.): Warnsignale aus den Polarregionen. Wissenschaftliche Auswertungen, Hamburg, 92-96); Online-Version

Bildergalerie zum Thema

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