Meereis

Als Meereis bezeichnet man das gefrorene Meerwasser der polaren Ozeane. Es spielt eine wichtige Rolle im Klimasystem der Erde.

Meereis und Klima

Ausdehnung von Sommer- (hellblau) und Wintereis (weiß) in der Arktis und Antarktis im Jahr 2005/06

Im Unterschied zu dem Eis der großen Eisschilde, das durch Niederschlag entsteht, wird Meereis durch das Gefrieren von Meerwasser gebildet. Bei einer Wassertemperatur von unter -1.8 ºC bilden sich millimetergroße Eiskristalle, die sich an der Wasseroberfläche ansammeln und zu einer Eisdecke zusammenfrieren. In den Prozess des Gefrierens werden nur Wassermoleküle einbezogen, während die viel größeren Salzionen im Meerwasser zurück bleiben und dadurch dessen Salzgehalt erhöhen.

Meereis ist nicht nur ein wichtiger Indikator für Klimaänderungen, sondern auch ein bedeutender Klimafaktor. Von klimatisch großer Bedeutung ist die Eis-Albedo-Rückkopplung. Die hohe Albedo von 60 bis 90 % führt dazu, dass die einfallende Sonnenstrahlung größtenteils wieder in den Weltraum reflektiert wird. Dadurch erklären sich zu einem großen Teil die geringen Temperaturen in den hohen Breiten und die starken jahreszeitlichen Schwankungen der Temperatur in den Gebieten mit wechselnder Eisbedeckung.

Anders als bei Eisschilden erfolgt die Reaktion von Meereis auf klimatische Veränderungen nahezu unmittelbar. Die Ausdehnung von Meereisgebieten und die Dicke des Meereises reagiert daher deutlich auf die jahreszeitlichen Temperaturänderungen. So schwankt die Meereisausdehnung in der Arktis zwischen 15 Millionen km² im Winter und 7 Millionen km² im Sommer und in der Antarktis sogar zwischen 18 und 3 Millionen km². Diese extremen jahreszeitlichen Schwankungen machen es schwierig, längerfristige Trends festzustellen.

Veränderungen des arktischen Meereises

Das Meereis-Minimum im September 2007 im Vergleich zum früheren Rekordminimum 2005 und den mittleren Minima 1979-2000. Oben rechts das September-Minimum 2008.

Die Abnahme der Ausdehnung des arktischen Meereises zwischen 1979 und 2008 (September-Eis)

Veränderungen der Ausdehnung

Die Ausdehnung von Meereis lässt sich seit den 1970er Jahren ziemlich gut durch Satellitenbeobachtungen erfassen. Alle Beobachtungen zeigen für die letzten Jahrzehnte eine deutliche Abnahme der arktischen Meereisbedeckung, im sommerlichen Minimum im September um etwa 8 % pro Jahrzehnt. Die Meereisdecke der Antarktis nimmt dagegen im Winter leicht um 0,5 % pro Jahrzehnt zu und bleibt im Sommer ungefähr gleich. Der Trend in der Arktis hat sich in den letzten Jahren sogar verstärkt. Seit Ende der 1970er Jahre hat sich im September die Meereisausdehnung um ca. 20 % verringert. D.h. alle 10 Jahre gehen der Arktis 220.500 km² Eisfläche verloren.

Von 1979 bis 2006 betrug die Abnahme der Meereisbedeckung im September, dem Monat des Eisminimums, 8,9 % pro Jahrzehnt. Während 1982 die Ausdehnungn noch 7,5 Millionen km² betrug, waren es 2005 nur noch 5,6 Millionen km², eine Differenz von 25 %. Das Minimum von 2005 wurde jedoch noch bei weitem übertroffen von den Verhältnissen im Jahre 2007, als das Minimum am 16. September nur noch 4.14 Million km² betrug. Die Nordwestpassage war seit Beginn der Satellitenmessungen zum ersten Mal eisfrei. 2008 wurde das Minimum von 2007 nur knapp verfehlt. Aber dieses Mal waren dafür beide Schiffspassagen, die Nordwest- und die Nordostpassage, offen. Die Minima 2007 und 2008 lagen sogar um 37 % unter dem Mittel von 1980-1999, was zur Folge hatte, dass 60 % des arktischen Ozeans nicht vom Eis bedeckt waren. Die Simulation von Klimamodellen hatte ein solches Minimum erst 30 Jahre später erwartet.

Veränderungen der Eisdicke

Auch die Meereisdicke scheint in der Arktis deutlich abgenommen zu haben. Das Meereis der Arktis wird unter heutigen Klimabedingungen wenige Dezimeter oder Meter dick. Es bildet daher nur eine dünne Haut auf dem Arktischen Ozean und kann leicht durch Winde und Meeresströmungen bewegt und dabei auch aufgerissen werden. Regional und lokal kann das Eis infolgedessen sehr unterschiedlich dick sein. Dabei findet sich das dickste Eis nicht unbedingt in Gebieten mit den niedrigsten Temperaturen, sonder vielmehr dort, wo es durch Eisdrift zusammengeschoben wird. Im Arktischen Ozean gibt es entsprechend den mittleren Windsystemen zwei große Driftsysteme. Im Beaufortwirbel nördlich der Küsten Alaskas zirkuliert das Eis im Uhrzeigersinn. Im Transpolarstrom wird es von den Küsten Sibiriens über den Nordpol in die Frahmstraße zwischen Spitzbergen und Grönland transportiert Entsprechend finden sich großräumig gesehen das dünnste Eis vor den Küsten Sibiriens und das dickste Eis mit bis zu 6 m Mächtigkeit vor den Küsten Grönlands und Kanadas.

Außer durch punktuelle Bohrungen wurde die Eisdicke in der Vergangenheit vor allem durch Echolotmessungen von U-Booten aus gemessen. In jüngster Zeit sind elektromagnetische Induktionsmessungen durch Hubschraubersonden hinzugekommen. Die U-Boot-Messungen zeigen zwischen den 1950er und 1990er Jahren im zentralen Arktischen Ozean eine Abnahme der Eisdicke um 43 % bzw. von 3,1 auf 1,8 m. Die Hubschrauber-Messungen ergaben eine Abnahme von 2,5 auf 1,95 m bzw. um 22 % von 1991 bis 2001 zwischen Spitzbergen und dem Nordpol.

Ursachen der Eisschmelze

Der Einfluss der Änderung der Albedo auf das Klima

Für die beobachteten Veränderungen der Eisausdehnung und Meereisdicke kommen verschiedene Ursachen in Frage. Sie können sowohl thermischer wie dynamischer Natur und natürlich oder anthropogen bedingt sein. Eine Ursache liegt mit Sicherheit in der Erwärmung der bodennahen Luftschichten, die zwischen 1981 und 2003 im Mittel 0,54 °C pro Jahrzehnt betrug und damit deutlich über dem globalen Durchschnitt lag. Außerdem drang in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten verstärkt warmes Meereswasser aus dem Atlantik und Pazifik in den Arktischen Ozean ein. Eine Folge der Erwärmung von Atmosphäre und Meerwasser war die Vorverlegung des Beginns der sommerlichen Eisschmelze und die Verschiebung ihres Endes in den späteren Herbst hinein, so dass sich die Schmelzperiode seit Anfang der 1980er Jahre um etwa 10 Tage pro Jahrzehnt verlängert hat. Die dadurch verkürzte winterliche Eisbildungsperiode erlaubte in vielen Regionen, in denen früher mehrjähriges Eis lag, keine Eisdicken mehr, die den nächsten Sommer überdauerten. Hinzu kam ein weiterer sehr wichtiger Effekt: Die Ausdehnung eisfreier Flächen reduzierte großflächig die Albedo und verstärkte die Absorption der solaren Einstrahlung durch das Meerwasser. Dadurch erwärmte sich nicht nur das Meerwasser, sondern auch die darüber liegende Atmosphäre, wodurch weiteres Eis zum Schmelzen gebracht wurde. Die sich auf diese Weise selbst verstärkende Meereis-Albedo-Rückkopplung hat so von Jahr zu Jahr zu einer immer geringer werdenden Eisbedeckung geführt.

Eine weitere Ursache sind Veränderungen in der atmosphärischen Dynamik hin zu einem positiven AO- und NAO-Index und zu einer negativen Phase der Pazifischen Dekadenoszillation (PDO). Diese Veränderungen hatten zur Folge, dass sich der Beaufortwirbel abschwächte und Zyklonen zunehmend in das arktische Kerngebiet eindrangen. Das wiederum bewirkte, dass zunehmend Eis aus dem Arktischen Ozean in den Nordatlantik transportiert wurde. Auch der Zustrom wärmeren Wassers aus dem Atlantik könnte hiermit zusammenhängen. Da die Position der Eisgrenze im Ozean wiederum die Atmosphäre beeinflusst, ist es wahrscheinlich, dass das Zurückweichen des Eises auch das häufigere Vordringen von Zyklonen begünstigt. In den letzten Jahren haben sich der AO- wie der PDO-Index wieder normalisiert. Die Eisschmelze geht dennoch weiter.

Die Gründe dafür liegen möglicherweise darin, dass die Abschmelzvorgänge in den 1980er und 1990er Jahren durch das Zusammentreffen einer stärkeren Erwärmung und Veränderungen der AO und PDO zunächst angestoßen wurden, dann aber eine Eigendynamik entwickelt haben, die sich auch nach der Normalisierung von AO und PDO nicht wieder umkehren ließ. Zunächst haben nach dieser Theorie zwar externe Faktoren eine zunehmende Verringerung der Eisausdehnung und -dicke verursacht, die sich aber nach dem teilweisen Wegfall dieser Faktoren selbst trägt. D.h. der jüngste Rückzug des Eises ist nicht mehr primär auf den externen Antrieb zurückzuführen, sondern auf die Wirkung der Eis-Albedo-Rückkopplung. Im Jahr 2007 trugen zudem südliche Winde zur starken Eisschmelze bei.

Projektionen

Abnahme des arktischen Meereises (braune Kurve) und die von Klimamodellen berechnete Abnahme

Die Erwärmung der Atmosphäre setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, aus der Eis-Albedo-Rückkopplung wie aus der globalen Erwärmung infolge des anthropogenen Anstiegs der Treibhausgaskonzentration. Da damit zu rechnen ist, dass beide Faktoren auch weiterhin das Abschmelzen des arktischen Meereises voran treiben werden, wird die Eisbedeckung des arktischen Ozeans über kurz oder lang im Sommer ganz verschwinden. Alle Klimamodellrechnungen zeigen bis zum Ende des 21. Jahrhunderts eine starke Reduzierung der Eisfläche im Sommer, z.T. sogar ihr völliges Verschwinden schon zum Ende dieses Jahrhunderts.

Nach dem Rekordminimum der Eisausdehnung vom September 2007 hielten einige Wissenschaftler solche Projektionen jedoch für zu konservativ. Nachdem zunächst eine eisfreie Arktis im Sommer 2040 vorhergesagt wurde, gab es Stimmen, die sogar schon in 5 bis 10 Jahren einen eisfreien arktischen Ozean prognostizierten, so der NASA-Forscher Jay Zwally. Vergleicht man gängige Modellprojektionen des IPCC-Berichts von 2007 mit dem Trend der Beobachtungen, so zeigt sich, dass die Modelle die Abnahme der Eisausdehnung der Arktis deutlich unterschätzen. Das spricht dafür, dass das arktische Meereis deutlich früher abgeschmolzen sein wird, als die IPCC-Modelle vorhersagen. Immerhin ergeben die Modellsimulationen, dass nach dem Erreichen einer Meereisausdehnung von ca. 4,6 Mill. km², wie sie gegenwärtig erreicht sind, die Arktis in ca. 30 Jahren eisfrei sein wird. Danach müsste dieser Zustand Ende der 2030er Jahre erreicht sein.

Klimatische Folgen

Die großen Meereisflächen der Arktis besitzen nicht nur einen Einfluss auf die Strahlung (s.o.), sondern auch auf die atmosphärische Dynamik. Aufgrund der tiefen Temperaturen über dem Eis rund um den Nordpol kommt es zum Absinken von Luftmassen. Dadurch bildet sich in der Höhe über dem arktischen Meereis ein Tiefdruckgebiet. Die in das Tief einströmende Luft wird durch die Corioliskraft zu einem sich gegen den Uhrzeigersinn drehenden zirkumpolaren Wirbel umgelenkt. Obwohl der Polarwirbel am Nordpol weniger stabil ist als am Südpol, verhindert er weitgehend den Luftmassenaustausch mit den niedrigeren Breiten. So kommt es vor allem im Winter selten zum Einstrom warmer, aber ebenfalls selten zum Ausstrom kalter Luft. Damit im Zusammenhang steht auch die Ausbildung eines starken Polarjets und einer starken Nordatlatischen Oszillation.

Wenn sich wie in den letzten Jahren die Meereisausdehnung im Sommer stark verringert, kommt es im Endeffekt zu einer Schwächung des Polarwirbels: Warme Luft kann dann besser in das Polargebiet eindringen und kalte Luft in niedrigere Breiten ausströmen. Der Mechanismus ist etwa folgender: Das Nordpolarmeer nimmt im Sommer über die freien Wasserflächen mehr Wärme durch die Sonneneinstrahlung auf. Diese gibt es in den folgenden Monaten an die Atmosphäre ab. Durch die wärmere Atmosphäre werden der Temperaturgegensatz zwischen den polaren und den mittleren Breiten verringert und damit der Polar-Jet und die Nordatlatische Oszillation geschwächt. Als Folge können Kaltluftmassen aus den arktischen Breiten bis nach Europa und die USA vordringen.

Seit dem Jahr 2005 ist der sommerliche Eisrückgang deutlich beschleunigt, auch wenn das Rekordjahr 2007 in den Folgejahren bisher nicht übertroffen wurde. Im Oktober 2009 wurden in der mittleren Troposphäre über große Teile des Nordpolarmeeres bis zu 5 °C höhere Temperaturen gemessen als im Mittel der Jahre 1968-96. Diese Erwärmung führte zur Destabilisierung des Polarwirbels und ließ kalte und feuchte Luft aus der Arktis bis nach Nordamerika, Nordeuropa und Nordostasien dringen. Während die Arktis im Winter Temperaturabweichungen von +4 bis +12 °C zu verzeichnen hatte, lagen die Temperaturen auf den südlich angrenzenden Kontinenten z.T. um -10 °C unter dem Mittelwert. Dieses als "Warme Arktis - Kalte Kontinente" bezeichnete Klimamuster ist in den letzten 160 Jahren nur vier Mal vorgekommen. Aufgrund des zu erwartenden weiteren Rückgangs der arktischen Eisbedeckung kann es in Zukunft häufiger dazu kommen, dass arktische Kaltluft weit nach Süden vordringt und z.B. in Europa für kalte und schneereiche Winter sorgt.

Siehe auch

• Änderungen der Kryosphäre
• Eis-Albedo-Rückkopplung
• Eisschilde
• Gletscherschmelze
• Permafrost
• Schnee
• Eiszeitalter

Literatur

• Haas, C. (2005): Auf dünnem Eis? - Eisdickenänderungen im Nordpolarmeer, in: José L. Lozán / Hartmut Graßl / Hans-W. Hubberten / Peter Hupfer / Ludwig Karbe / Dieter Piepenburg (Hrsg.): Warnsignale aus den Polarregionen. Wissenschaftliche Auswertungen, Hamburg, 97-101
• Bareiss, J., K. Görgen, A. Helbig (2005): Arktisches Meereis - Ursachen der Variabilität und Trends in den vergangenen 30 Jahren, in: José L. Lozán / Hartmut Graßl / Hans-W. Hubberten / Peter Hupfer / Ludwig Karbe / Dieter Piepenburg (Hrsg.): Warnsignale aus den Polarregionen. Wissenschaftliche Auswertungen, Hamburg, 218-225
• Lindsay, R.W. and J. Zhang, 2005: The thinning of Arctic sea sce, 1988-2003. Have we passed a tipping point? Journal of Climate 18, 4879-4894

Weblinks

• Arctic Sea Ice News & Analysis Aktuelle Meldungen und Bilder über das arktische Meereis
• Ice in the Sea UNEP-Report über das Meereis auf der Erde
• taz (vom 18.12.2008): Erderwärmung • Das Arktis-Klima ist gekippt

• IFM-GEOMAR (Leibniz-Institut für Meereswissenschaften), Pressemitteilung vom 26.01.2011: Atlantikwasser wärmt die Arktis auf

„Science“-Studie: Jüngster Temperaturanstieg in der Framstraße einmalig in den letzten 2000 Jahren.