Durch die Klimaerwärmung hat sich die Fläche des arktischen Meereises in den letzten Jahrzehnten rapide verringert. Um die zukünftige Entwicklung besser vorhersagen zu können, verwendeten Wissenschaftler der University of Cambridge jetzt eine neuartige Theorie – und stießen dabei auf Widersprüche zu früheren Messergebnissen.
„Ist es nicht herrlich, dieses Wunderwerk aus gefrorenem Meerwasser?” Grae Worster, Professor an der University of Cambridge, zeigt mit einer weit ausholenden Armbewegung fasziniert über die Landschaft. Vor ihm erstreckt sich eine Weite von eigentümlicher Schönheit und Unnahbarkeit, eine unendliche weiße Fläche, die aus nichts als gefrorenem Licht zu bestehen scheint. Die einzigen Farbtupfer werden von einer kleinen Gruppe Wissenschaftler gebildet, die mitten in dieser scheinbar so lebensfeindlichen Welt ihr Camp aufgeschlagen haben. Ihr Ziel: zu verstehen, wie dieses „Wunderwerk aus gefrorenem Meerwasser”, gemeinhin auch einfach „Meereis” genannt, entsteht, welche Struktur es hat, wie es mit der Atmosphäre und dem Ozean in Wechselwirkung tritt. Und obwohl die Wissenschaftler scheinbar völlig ohne Hektik damit beschäftigt sind, für ihre Messinstrumente Löcher in das knapp einen halben Meter dicke Eis zu sägen, haben sie doch unbewusst das Gefühl, unter enormem Zeitdruck zu stehen. Denn die Welt, die im Moment ihr Zuhause bildet, ist vom Verschwinden bedroht.
Messungen von U-Booten aus deuten darauf hin, dass sich in den letzten Jahrzehnten die durchschnittliche Dicke des Meereises in der Arktis um 40 Prozent verringert hat. Seine Fläche in den Sommer-monaten hat im Vergleich zu den Siebzigerjahren um fast zwei Millionen Quadrat- kilometer abgenommen, der Lebensraum unzähliger Tierarten ist in nur dreißig Jahren um das Fünffache der Fläche Deutschlands geschrumpft. Und das Abschmelzen des Meereises scheint sich fortzusetzen: Einige der am weitesten entwickelten Klimamodelle sagen übereinstimmend voraus, dass mög-licherweise schon Mitte dieses Jahrhunderts der Arktische Ozean im Sommer vollständig eisfrei sein könnte.
Für solche Prognosen ist die realistische Simulation von Meereis in Computermodellen notwendig. Dabei liegt eine der Hauptschwierigkeiten darin, den Salzgehalt von Meereis wirklichkeitsgetreu nachzubilden. Im Gegensatz zu dem Eis, das sich auf Seen oder Flüssen bildet, besteht Meereis nämlich nicht nur aus gefrorenem Wasser. Bei näherem Hinsehen erkennt man vielmehr unzählige, millimeterdünne, senkrecht angeordnete Blättchen aus reinem Eis, zwischen denen sich eine flüssige Salzlake befindet. Wenn Ozeanwasser gefriert, wird das im Wasser gelöste Salz von den sich bildenden Eiskristallen zur Seite gedrückt und in der Salzlake immer stärker konzentriert. Wegen ihres hohen Salzgehalts bleibt die Lake auch bei Temperaturen weit unterhalb von Null Grad Celsius flüssig.
Das Vorhandensein dieser Salzlake in Meereis hat einen bisher kaum verstandenen Einfluss auf die zukünftige Entwicklung unseres Erdklimas. So hängt zum Beispiel das Isolationsvermögen von Meereis, das den Wärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre erheblich reduziert, von der Menge der vorhandenen Salzlake ab. Ohne die Bedeckung durch Meereis würde der Ozean im Winter gigantische Mengen Wärme an die Atmosphäre abgeben, ähnlich wie ein Topf mit heißem Wasser Wärme an die viel kältere Küchenluft abgibt, wenn man den Deckel abnimmt.
Noch wichtiger für die Wechselwirkung der Salzlake mit dem globalen Klima ist jedoch die Tatsache, dass ein Großteil der ursprünglich im Eis vorhandenen Salzlake im Laufe der Zeit in das darunterliegende Ozeanwasser fließt. Hierdurch nimmt dessen Dichte zu, denn je mehr Salz in einem Liter Meerwasser gelöst ist, umso schwerer wird das Wasser. In der Antarktis wird das Ozeanwasser durch dieses Ausfließen der Salzlake aus Meereis so stark mit Salz angereichert, dass es schwerer wird als fast alle anderen auf unserem Planeten vorhandenen Wassermassen. Es sinkt wie in einem gigantischen Fahrstuhl in die Tiefe, bis es den Meeresboden erreicht und sich von dort über die Weltmeere ausbreitet. Um die globalen Ozeanströmungen, das Absinken und Aufsteigen von Wasser in den Tiefen der Meere, realistisch nachbilden zu können, muss also die Entwicklung des Salzgehalts von Meereis verstanden werden. Schon die ersten wissenschaftlichen Expeditionen, die sich im 19. Jahrhundert mit ihren Segelschiffen vorsichtig in das Packeis der Arktis vorarbeiteten, führten daher entsprechende Messungen durch. Aber auch mehr als ein Jahrhundert später steht eine detaillierte theoretische Beschreibung der physikalischen Prozesse, die der Entwicklung des Salzgehalts von Meereis zugrunde liegen, immer noch aus.
Im Rahmen seiner Doktorarbeit am Fachbereich für angewandte Mathematik der University of Cambridge ist Dirk Notz zusammen mit seinem Betreuer Prof. Grae Worster jetzt einer solchen Theorie ein großes Stück näher gekommen. Sie benutzten zur Beschreibung von Meereis einen Satz mathematischer Gleichungen, der für sogenannte „mushy layers” („breiige Schichten”) entwickelt worden ist. Diese Gleichungen, die ursprünglich im Bereich der Metallurgie benutzt wurden, beschreiben Stoffe, die aus mehreren Inhaltsstoffen bestehen, welche zusammen ein Zweiphasengemisch bilden. Und genau das trifft auf Meereis zu: Es besteht aus verschiedenen Inhaltsstoffen, nämlich Salz und Wasser, die zusammen ein Zweiphasengemisch aus flüssiger Salzlake und festem Süßwassereis bilden.
Bei der Anwendung dieser Gleichungen für die Beschreibung von Meereis stießen die Forscher jedoch auf ein überraschendes Ergebnis: Wenn ihre Theorie stimmte, dann müsste Meereis an der Grenzfläche zum darunterliegenden Ozean den gleichen Salzgehalt aufweisen wie Ozeanwasser. Bisher war man aufgrund von Messungen aus Eisbohrkernen jedoch davon ausgegangen, dass direkt an dieser Grenzfläche der Großteil des gelösten Salzes ins Meerwasser abgegeben wird, der Salzgehalt von Meereis also stets weitaus niedriger ist als der von Ozeanwasser. Die Forscher standen vor einem Rätsel – denn bei einem solchen Widerspruch zwischen Theorie und Messungen gilt in der Naturwissenschaft normalerweise, was der amerikanische Physiker Richard Feynman einmal so formulierte: „Es spielt keine Rolle, wie schön Deine Theorie ist. Es spielt auch keine Rolle, wie schlau Du bist. Wenn sie nicht mit Messergebnissen übereinstimmt, dann ist sie falsch.”
Aber die Wissenschaftler der University of Cambridge wollten sich nicht geschlagen geben. Nachdem sie ihre Theorie erfolglos auf mögliche Fehler abgeklopft hatten, wandten sie sich den Eisbohrkernen zu, einer Messtechnik, die sich seit dem Ende des 19. Jahrhunderts kaum verändert hat: Mit einem großen, hohlen Bohrer wird ein Bohrkern aus dem Eis entnommen und in Scheiben gesägt. Diese Scheiben werden geschmolzen und der Salzgehalt des Schmelzwassers wird gemessen. Aus der ursprünglichen Anordnung der Eisscheiben wird dann auf die senkrechte Verteilung von Salz im Meereis geschlossen. Bei näherer Untersuchung dieser Technik stellten die Wissenschaftler fest, dass bei der Entnahme der Bohrkerne stets ein Teil der Salzlake aus dem Eis herausläuft, ähnlich wie Wasser aus einem Schwamm fließt, wenn man ihn aus einem Wassereimer nimmt. Diese Tatsache war zwar schon seit längerem bekannt – sie wurde aber normalerweise vernachlässigt, was bei mehrere Meter dickem Meereis durchaus gerechtfertigt zu sein scheint. Aber wie zuverlässig sind die Messungen, wenn das Eis in Zukunft immer dünner wird? Lassen sich die aus dickem Eis gewonnenen Messergebnisse dann noch benutzen?
Zur Beantwortung dieser Fragen und zur Überprüfung ihrer Theorie entwickelten die Wissenschaftler ein Instrument, das zum ersten Mal die kontinuierliche Messung des Salzgehalts von Meereis in situ, also direkt im natürlichen Meereis erlaubt, ohne dass Eisbohrkerne entnommen werden müssen. Dieses Instrument misst den Salzgehalt in verschiedenen Tiefen, wobei an jedem Messpunkt zwei extrem dünne Drähte horizontal aufgespannt sind. Zwischen diesen etwa 15 Zentimeter langen Drähten, die zueinander einen Abstand von wenigen Millimetern haben, wird der elektrische Widerstand gemessen. Da das reine Eis ein sehr guter elektrischer Isolator ist und nur die Salzlake den elektrischen Strom leitet, lässt sich hieraus der Anteil der Salzlake direkt bestimmen. Eine einzelne Messung dauert weniger als eine Sekunde, sodass sich die zeitliche Entwicklung des Salzgehalts von Meereis erstmals direkt und mit einer unerreicht hohen Auflösung messen lässt.
Erste Versuche mit diesem Messinstrument in künstlichem Meereis, das die Wissenschaftler im Labor erzeugten, zeigten vielversprechende Ergebnisse. Die Technik schien zu funktionieren – und ergab eine nahezu perfekte Übereinstimmung der Messergebnisse mit den Voraussagen der „mushy layer”-Theorie. Aber der eigentliche Test stand noch aus: die Messung des Salzgehalts in natürlichem Meereis.
Und so kam es, dass mitten in der gefrorenen Wüste des Arktischen Ozeans plötzlich rege Aktivität herrscht, dass ein kleiner Haufen von Wissenschaftlern bei Lufttemperaturen von unter minus 30 Grad Celsius Kabel verlegt, Generatoren anschließt, Messinstrumente studiert, mit klammen Fingern an Laptops arbeitet. Und immer wieder den Blick suchend über den Horizont schweifen lässt, auf der Suche nach möglicherweise herannahenden Eisbären.
Als dann endlich die ersehnten Zahlenreihen über die Bildschirme laufen, will jedoch keine rechte Freude aufkommen. Zwar bestätigen die Messungen die Voraussagen der Theorie, dass nämlich in natürlichem Meereis der Anteil der flüssigen Salzlake teilweise deutlich höher liegt, als die bisherigen Messungen aus Eisbohrkernen vermuten ließen. Aber zugleich bedeutet der hohe Flüssiganteil, dass das Meereis in Zukunft möglicherweise weitaus schneller abschmelzen könnte, als es die derzeitigen Klimamodelle vermuten lassen.
Und das sind wahrlich keine guten Nachrichten für das „ Wunderwerk aus gefrorenem Meerwasser”. ■
Text: Dirk Notz
