Eisschilde
Übersicht
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 v.h. war mehr als doppelt so groß wie heute. Die großen Eisschilde der Gegenwart bilden zusammen ein Volumen von 33 Millionen km3 Eis, in denen eine so große Wassermenge gebunden ist, dass beim vollständigen Abtauen der globale Meeresspiegel um etwa 70 m steigen würde. Ihre Masse wird durch Schneefall gebildet (Akkumulation) und durch Schmelzen an der Oberfläche und an der Unterseite sowie den Abfluss Richtung Meer und das Kalben ins Meer wieder abgebaut (Ablation). Eisschilde reagieren auf klimatische Veränderungen in Zeiträumen von bis zu zehntausend Jahren. Gegenwärtige Prozesse können daher sowohl Folgen aktueller Klimaänderungen als auch Langzeitwirkungen des nacheiszeitlichen Klimawandels sein. Dabei verhalten sich die Eisschilde auf Grönland und der Antarktis durchaus verschieden.
Der antarktische Eisschild ruht auf einer kontinentalen Landmasse nahezu konzentrisch um den Südpol. Die klimatischen Verhältnisse über der Antarktis und dem umgebenden Ozean werden im wesentlichen durch den Eisschild selber bestimmt. Durch die kalten Bedingungen des antarktischen Klimas kommt es nur zu geringen Abschmelzvorgängen an der Eisoberfläche. Eisverluste geschehen primär durch das Kalben von Tafeleisbergen an der Schelfeisgrenze ins Meer, das durch Eisströme aus dem Innern angetrieben wird, und durch das Abschmelzen von Schelfeis an der Unterseite. Bis vor kurzem wurde angenommen, dass sich Eisströme grundsätzlich nur sehr langsam bewegen und ihre Geschwindigkeit nicht schnell ändern können. Neuere Beobachtungen haben gezeigt, dass die Geschwindigkeit der Eisströme sich verhältnismäßig schnell ändern kann, ohne dass die Gründe dafür schon geklärt sind.
Gegenüber der Antarktis ist das aufgrund der geographischen Lage um 10-15 oC 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 und deren Wasser größtenteils ins Meer abfließt. Ein anderer Teil des Eises geht auch hier durch das Kalben ins Meer verloren. Während der antarktische Eisschild mit Ausnahme einiger Randgebiete wie der Westantarktischen Halbinsel nur sehr verzögert auf Klimaänderungen reagiert, zeigt der Eisschild auf Grönland deutlich stärker die Folgen des aktuellen Klimawandels.
Der grönländische Eisschild
Aktuelle Veränderungen
Eine in jüngster Zeit angewandte Art, die Massenbilanz eines Eisschilde zu bestimmen, ist die geodätische Methode, bei der die Höhenänderungen der Eisoberfläche über einen bestimmten Zeitraum bestimmt werden. Dazu werden die Oberflächenhöhen durch Satellitenmessungen erfasst. Die Satellitendaten müssen jedoch durch Bodenmessungen überprüft und bei Bedarf korrigiert werden, da die Eisoberfläche sich auch durch Dichteschwankungen im Firneis oder durch isostatische Bewegungen des Untergrundes verändern kann. Ein Problem bei diesen Messungen sind u.a. die kurzen Zeitreihen, da Satellitenmessungen nicht weit zurückreichen.
Das Bild rechts stellt die Veränderung der Oberfläche des Grönlandeisschildes seit Mitte der 1990er Jahre dar. Die Daten zeigen starke Niveauabsenkungen zwischen 10 und 60 cm, an manchen Stellen auch über 60 cm pro Jahr im Küstenbereich. In den höheren Regionen ab 2000m herrscht entweder eine ausgeglichene Massenbilanz mit einem Gleichgewicht zwischen Akkumulation und Abschmelzen bzw. Abtransport durch Eisströme oder ein Überwiegen der Akkumulation.
Ursachen
Die Ausdünnung des Eises in den tieferen Lagen ist weitgehend konsistent mit den ansteigenden Sommertemperaturen der letzten Jahre. Neben Abschmelzprozessen spielen dynamische Veränderungen des Eisabflusses eine wichtige Rolle. Von dem Eisverlust von 60 km3 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 km/Jahr erhöhte. In den letzten Jahren sind zwei Gletscher an der Ostküste mit ähnlichem Verhalten hinzugekommen, der Kangerdlugssuaq und der Helheim-Gletscher.
Jüngere Abschätzungen gehen sogar von einem Massenverlust von 138 km3/Jahr in 2000 und 224 km3/Jahr in 2005 aus und schätzen den Anteil der Eisdynamik auf Zweidrittel, wovon allein 64 km3/Jahr auf das Konto der drei genannten Gletscher gehen sollen.
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. Ob der jüngsten Erwärmung eine natürliche Dekadenschwankung oder der globale Klimawandel zugrunde liegt, lässt sich gegenwärtig nicht entscheiden. In jedem Fall zeigen die Beobachtungen der letzten 10 Jahre aber, dass ein relativ mäßiger Temperaturanstieg von ca. 1 oC 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. gezeigt, immer weiter zurückverlegt.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 jüngst 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.
Prognosen
Wie sehen die Projektionen von Eismodellen für die Zukunft des grönländischen Eisschildes aus? Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts wird es nach konservativen Modellberechnungen keine größeren Veränderungen geben. Der Massenverlust durch Schmelzen und Kalben von Eisbergen wird die Akkumulation zunehmend, aber nur langsam übertreffen, bei einem durchschnittlichen Beitrag zum Meeresspiegelanstieg von 0,4 mm/Jahr. Allerdings berücksichtigen Modelle die Eisdynamik nicht, so dass diese Einschätzungen als deutlich zu niedrig eingestuft werden müssen. Bei einer längerfristigen Temperaturzunahme von 3 oC und mehr wird auch nach diesen Modellsimulationen das Abschmelzen der Oberfläche die Akkumulation deutlich übersteigen und der Eisschild wird sich verkleinern oder ganz verschwinden. Wird die atmosphärische CO2-Konzentration in den nächsten 200-300 Jahren auf 1000 ppm steigen und sich auf diesem Niveau stabilisieren (so die Projektion des höchsten IPCC-Szenarios A1Fl), wird die Temperatur um 8 oC zunehmen, was in den nächsten 1000 Jahren zum völligen Abschmelzen des Grönlandeises und einem Meeresspiegelanstieg um 7 m führen wird.
Dieses Ergebnis wird wahrscheinlich irreversibel sein. Denn ohne Eisschild wird sich das Klima auf Grönland wegen der wesentlichen geringeren Albedo der nicht mehr vom Eis bedeckten Landoberfläche deutlich erwärmen. Und selbst wenn die Konzentration der Treibhausgase und die globalen Klimaverhältnisse wieder zu den vorindustriellen Bedingungen zurückkehren sollten, wird sich der grönländische Eisschild daher wahrscheinlich nicht wieder aufbauen.
Der antarktische Eisschild
Aktuelle Veränderungen
Das Eisvolumen der Antarktis ist etwa neun Mal so groß wie das des grönländischen Eisschildes. Es verteilt sich auf unterschiedliche Teile des antarktischen Kontinents. In der Ostantarktis liegt das Eis auf felsigem und gebirgigem Untergrund und erreicht eine maximale Eisdicke von fast 5 km. Zum Rand hin behindern ähnlich wie auf Grönland Gebirgszüge den Eisabfluss. Der Westantarktische Eisschild ruht zu einem großen Teil auf Felsuntergrund unter dem Meeresspiegel und ist von großen Schelfeisgebieten umgeben, die etwa 11% der Ausdehnung des Eisschildes ausmachen und in die relativ schnell fließende Gletscher aus dem Innern münden. Auch an der Küste zur Amundsensee gibt es einen bedeutenden Gletscherabfluss. Eine Sonderstellung nimmt die Antarktische Halbinsel ein, die bis 62,5 oS nach Norden reicht und der klimatisch sensitivste Bereich ist.
Abschätzungen für den gesamten antarktischen Eisschild sind in jüngster Zeit durch Satellitenbeobachtungen des Oberflächenniveaus und solche der Schwerkraft des antarktischen Kontinents versucht worden. Die Beobachtungen der Höhenänderungen zeigen für das gesamte Innere der Ostantarktis nördlich von 82 oS von 1992 bis 2003 eine leichte Anhebung des Niveaus durch vermehrten Schneefall, während in der Westantarktis relativ starke Absenkungen, also Massenverlust, dominieren. Eine Gesamtbilanz wird nicht versucht, da die Massenverluste in den Küstenregionen durch Eisdynamik (s.u.) nur sehr schwierig einbezogen werden können. Die aktuellen Gravimetermessungen, bei denen auch die Regionen südlich des 82 oS berücksichtigt wurden, kommen zu einem etwas anderen Ergebnis. Sie zeigen für den gesamten Eisschild 2002 bis 2005 eine negative Massenbilanz von 152 km3/Jahr, was einem Meeresspiegelanstieg von 0,4 mm/Jahr entspricht. Dabei wird der gesamte Massenverlust fast ausschließlich dem Westantarktischen Eisschild zugeschrieben, während der Ostantarktische Eisschild sich möglicherweise im Gleichgewicht befindet.
Regionale Untersuchungen der einzelnen Eisabflussgebiete ergeben ein sehr differenziertes Bild. So sind die Abflüsse von der Ostantarktis und auch Teilen der Westantarktis ins Filchner-Ronne-Schelfeis (und damit ins Weddelmeer) wahrscheinlich im Gleichgewicht. Die Abflussbereiche der Westantarktis ins Rossmeer zeigen einen Massenzuwachs von ca. 33 km3/Jahr. Auch für die Abflussgletscher aus der Ostantarktis ins Ross-Schelfeis zeichnet sich eine positive Bilanz ab. Den größten Massenverlust weisen mit 72 km3/Jahr die Gletscherströme auf, die aus der Westantarktis in die Amundsensee fließen.
Ursachen
Während die Massenzunahme mit hoher Wahrscheinlichkeit auf verstärkte Niederschläge, die mit der globalen Erwärmung im Zusammenhang stehen, zurückzuführen ist, wird der Hauptgrund für die Massenverluste des antarktischen Eisschildes in der Eisdynamik in den Küstenregionen gesehen. Entscheidend ist dabei die Rolle der Schelfeisgebiete. Ähnlich wie an manchen Küstengebieten Grönlands ist ihre Instabilität die Ursache für ein stärkeres Abfließen von Auslassgletschern und Eisströmen. Die Schelfeise werden von zahlreichen Zuflüssen gespeist, die seit der letzten Eiszeit den Boden bis weit unter die Meeresoberfläche erodiert haben. Sie erstrecken sich von der Aufsetzlinie über einen erodierten Meeresboden, der an einer Endmoräne aus dem glazialen Maximum der Eisausdehnung endet. Über diese Moräne dringt relativ warmes und salzreiches Wasser in die Kaverne unterhalb des Schelfeises ein und verursacht das Abschmelzen an der Unterseite. Durch Aufnahme von Schmelzwasser wird der Salzgehalt und damit die Dichte gesenkt. Das nunmehr leichtere Wasser strömt nach oben entlang der Schelfeisunterseite aus der Kaverne heraus, wodurch neues warmes und salzreiches Wasser Richtung Aufsetzlinie herein gezogen wird. Die so entstehende Zirkulation kann zu immer neuem Abschmelzen an der Schelfeisunterseite führen, wodurch das Schelfeis instabil und brüchig werden und ins Meer abdriften kann. Diese Prozesse sind stark von Veränderungen der Ozeantemperaturen abhängig. So haben Modellrechnungen eine Verdoppelung der Schmelzrate bei einer Erhöhung der Ozeantemperatur um 0,5 oC ergeben.
Besonders das an die Amundsen-See angrenzende Schelfeis zeigte zwischen 1992 und 2001 starke Verringerungen der Eisdicke um bis zu 5,5 m pro Jahr. Die Ursache liegt in dem Abschmelzen an der Unterseite der Eisschelfe durch warmes Ozeanwasser mit Schmelzraten von 4-17 m/Jahr. Seit 1992 gingen dadurch 92 Gigatonnen Eis pro Jahr verloren und die Eissschelfe verloren 1-7% ihrer Mächtigkeit. Gleichzeitig hat sich die Aufsetzlinie zurückgezogen, und das Eis ist an der Außenkante zum Meer zunehmend abgebrochen. Die Folge war ein verstärkter Abfluss der Auslassgletscher aus dem Innern des Westantarktischen Eisschildes. Das Schelfeis bremst normalerweise den Abfluss der Gletscher aus dem antarktischen Eisschild. Wird es brüchig oder fehlt es, nimmt die Geschwindigkeit der abfließenden Gletscher zu. Damit wird zunehmend mehr Eis dem Ozean zugeführt. Zwischen 1992 und 2001 hat sich dadurch die Oberfläche des Westantarktischen Eisschildes rund um die Amundsen-See um bis zu 59 cm pro Jahr abgesenkt.
Andere Ursachen als an der Amundsen-See hatte die bekannte Auflösung des Larsen-B-Schelfeises an der Ostküste der Antarktischen Halbinsel im Jahre 2002, nachdem 1995 schon das kleinere Larsen-A-Schelfeis verschwunden war. Die Antarktische Halbinsel reicht am weitesten nach Norden und zeigte in den letzten 50 Jahren die stärkste regionale Erwärmung der Welt. Hier wurde seit den 1950er Jahren eine Erhöhung der Temperatur um fast 3 oC bzw. 0,54 oC pro Jahrzehnt gemessen (das globale Mittel liegt bei 0,11 oC pro Jahrzehnt).35 Und auch die Ozeantemperaturen sind im Sommer um über 1 oC angestiegen. Aufgrund der weit nach Norden reichenden Lage und der deutlichen Erwärmung ist die Antarktische Halbinsel das einzige Gebiet des antarktischen Kontinents, bei dem das Abschmelzen an der Oberfläche von Bedeutung ist. Bei der Auflösung des Larsen-Schelfeises hat denn auch das Oberflächenschmelzwasser, das in Gletscherspalten drang, wohl die entscheidende Rolle gespielt. Auch hier hat sich der Abfluss der Auslassgletscher in das Schelfeisgebiet des Larsen-B-Eises nach dessen Auflösung und Abbrechen erhöht, und zwar bis um das Achtfache.
Prognosen
Anders als bei dem grönländischen Eisschild ergeben Modellrechnungen für die Antarktis für die nächsten 100 Jahre eine positive Massenbilanz durch zunehmende Akkumulation. Der Meeresspiegelanstieg bis 2100 durch das Abschmelzen auf Grönland wird dadurch in etwa ausgeglichen. Auch für die nächsten Jahrhunderte wird kein größerer Nettoverlust des antarktischen Eisschildes erwartet.36 Allerdings werden in den Modellrechnungen die in jüngster Zeit entdeckten Prozesse, die zu den unerwarteten Veränderungen vor allem der Schelfeisgebiete und der in sie mündenden Auslassgletscher geführt haben, nicht oder nur teilweise berücksichtigt. Die Auflösung von Schelfeis durch das Abschmelzen an der Unterseite bei wärmeren Ozeantemperaturen könnte durchaus zu einem beschleunigten Abfluss des Inlandeises Richtung Meer führen. Interessant sind in diesem Zusammenhang Studien über die Verhältnisse in der letzten Zwischeneiszeit vor 130 000 Jahren, dem Eem, als die Temperaturen ungefähr so hoch waren, wie sie für das Ende des 21. Jahrhunderts erwarten werden. Der Meeresspiegel lag um 2 bis 3 m über dem heutigen Niveau. Neben Grönland hat aller Wahrscheinlichkeit nach auch die Westantarktis dazu beigetragen.
