Messen, wiegen, schätzen

Wie viel Eis liegt in der Antarktis? Wie viel davon schmilzt? Wichtige Fragen für die Klimaforschung, die der Wissenschaft aber so einige Schwierig‧keiten bereiten. Über die Tücken der Eismessung und was das für die Forscher bedeutet.

Text: Henrike Wiemker

Negativrekord am Südpol“. „Südpolares Eis schmilzt rasant“. „Antarktiseis schmilzt immer schneller.“ Es waren dramatische Headlines, die im vergangenen Sommer in deutschen und internationalen Medien auftauchten. 2720 Milliarden Tonnen Eis habe die Antarktis seit 1992 verloren, der Meeresspiegel sei seitdem dadurch weltweit um 7,6 Millimeter gestiegen.
Grund für die Aufregung waren gleich fünf Artikel zur Lage und Zukunft der Antarktis, die das wissenschaftliche Fachjournal Nature im Juni 2018 veröffentlichte. Eine der Studien erregte besondere Aufmerksamkeit: Ein Team aus mehr als 80 Forschern und Wissenschaftlerinnen hatte die Daten von 24 Einzel‧studien zusammengenommen und neu ausgewertet. Eine ausführliche Grundlage also, die verlässlichere Aussagen zur Entwicklung in der Antarktis möglich macht. Die Polargebiete und gerade die Antarktis sind für die Klimaforschung besonders interessant. Einerseits, weil es sich um besonders empfindliche Regionen handelt: Der Temperaturanstieg ist dort um ein Vielfaches höher als in anderen Erdteilen und die Auswirkungen des Klimawandels deutlich sichtbar. Andererseits haben die Polarregionen großen Einfluss auf das weltweite Klima. „Die Meeresströmungen werden unter anderem durch Prozesse in den Meereisgebieten angetrieben. Das sind also nicht bloß Nebenschauplätze, sondern sie sind massiv am Klimasystem beteiligt“, sagt Veit Helm, Glaziologe am Alfred-Wegener-Institut.

Was in den Medienberichten zur vielbeachteten Nature-Studie allerdings nur selten oder gar nicht erwähnt wurde, waren die Unsicherheiten, die mit den Daten der Studie einhergehen. Schaut man sich die Originalpublikation an, findet man dort für den Eisverlust den Wert 2,72 ± 1,39 Gigatonnen. Ergebnisse mit einer Fehlerspanne anzugeben, ist in Studien üblich und gehört zur guten wissenschaftlichen Praxis. Interessant ist aber, wie groß diese Spannen sind. Im Fall der Antarktis heißt die Zahl: Zwischen 1992 und 2017 sind dort zwischen 1,33 und 4,11 Gigatonnen Eis geschmolzen. Für den Meeresspiegelanstieg in der gesamten Zeit von 1992 bis 2017 lautet der Wert in der Originalstudie 7,6 ± 3,9 Millimeter, also zwischen 3,7 und 11,5 Millimeter. Zwar lässt sich der Meeresspiegelanstieg seit 1992 insgesamt präziser messen. Welchen Anteil die Antarktis daran hatte, weiß man aber nicht genau. Angesichts der besonderen Bedeutung der Polargebiete wäre gerade das interessant, aber: „Niemand in der Wissenschaft kann heute mit gutem Gewissen in einem Satz über die Eismassen sagen: ‚Wir wissen.‘ Es gibt dazu bisher keine Antwort“, sagt Anna Wåhlin, Ozeanografin an der Universität im schwedischen Göteborg.

Aber warum ist das so? Was macht das Vermessen der Eismassen so kompliziert? Wie stellt man es ‧eigentlich an, die Masse von gefrorenem Wasser zu bestimmen, das einen ganzen Kontinent bedeckt?

Ein Kontinent unter Eis

Bevor man sich hier auf Eis und Schnee stürzt, ist es sinnvoll, kurz über den Kontinent an sich nachzudenken. Die Landfläche unter dem antarktischen Eis umfasst rund 14 Millionen Quadratkilometer und ist damit ungefähr anderthalbmal so groß wie die USA. Im Winter, wenn auch der Ozean rund um den Kontinent zufriert, ist die mit Eis bedeckte Fläche mehr als 31 Millionen Quadratkilometer groß und damit größer als Afrika. Um sich auf diesem riesigen und weitgehend unbewohnten Gebiet orientieren zu können, teilt die Wissenschaft die Antarktis in drei Teile auf: Ostantarktis, Westantarktis und Antarktische Halbinsel. Ost und West? Wenn man sich am Südpol befindet und doch eigentlich in alle Richtungen Norden ist? Um hier für Klarheit zu sorgen, liegt auf Karten der Antarktis stets der nullte Längengrad oben in der Mitte, sozusagen im Norden. Rechts davon ist Osten, links Westen. Die Antarktische Halbinsel, die mit ihrem Zipfel auf Südamerika zeigt, liegt so im Westen des Kontinents.

In dieser Region findet man die meisten permanenten Forschungsstationen, von denen es in der Antarktis einige gibt. Hier schmilzt im antarktischen Sommer der Schnee und die Küste ist zwar felsig, aber einigermaßen leicht zugänglich. Anders ist das in der Ostantarktis: Dort liegt unter dem mehrere Kilometer ‧dicken Eis ein felsiges Hochplateau mit Erhebungen von mehr als 4000 Metern über den Meeresspiegel. Etwa dort, wo das Plateau beginnt, liegt das transantarktische Gebirge, dessen höchster Gipfel, der Mount Kirkpatrick, mehr als 4500 Meter in die Höhe ragt. Hier ungefähr zieht man die Grenze zwischen Ost- und Westantarktis. Auch wenn der Kontinent nicht mit Eis bedeckt ‧wäre, würde er vermutlich eine der spektakulärsten Landschaften der Erde beherbergen.

Wie nun erforscht man einen Kontinent, den man nur mit extremem logistischem Aufwand überhaupt betreten kann? Nun, am einfachsten aus dem All. Tatsächlich basieren alle Berechnungen der antark‧tischen Eismasse auf drei Methoden, die alle über ‧Satellitenmessungen funktionieren. Bei der ersten misst ein Laser- oder Radarsignal von einem Satelliten aus die Höhe der Eisdecke und ihre Schwankungen, so wie man auch einen schwankenden Meeresspiegel messen könnte. Die Methode heißt „Altimetrie“, von lateinisch altus = hoch.
Bei der zweiten Methode wiegt man sozusagen das Land und das Eis darauf mit Hilfe der Gravitation. Die Schwerkraft ist auf der Erde nicht überall gleich: Dort, wo viel Erdmasse gesammelt ist, zieht der Planet uns ein bisschen stärker an als dort, wo wenig Masse liegt. Indem man diese Unterschiede misst, lassen sich Schwankungen in der Eismasse entdecken. Die Methode heißt Gravimetrie.

Die dritte Methode wird als „Input-Output“ oder „Masse‧bilanz“ bezeichnet und ist genau das, wonach es klingt. Nach einer simplen Rechnung (Wie viel geht rein, als Schnee? Wie viel geht raus, als Eisberge und Schmelzwasser?) erhält man einen Wert dazu, wie sehr sich die Eismasse in der Antarktis verändert.

Herausforderungen in der Praxis

Soweit die stark vereinfachte Theorie. In der Praxis aber haben alle Methoden ihre Tücken. Die Ozeanografin Anna Wåhlin sieht den Umgang der Nature-Studie mit Unsicherheiten kritisch. „Große Teile der Ergebnisse basieren auf Modellen dazu, wie man ‧Satellitenmessdaten deutet. Aber die Modelle sind zu wenig an der Wirklichkeit überprüft. Dazu müsste man in die Antarktis fahren und vor Ort Messungen machen. Das passiert zu selten“, findet sie.

Veit Helm vom Alfred-Wegener-Institut hat sich auf die Altimetrie-Methode spezialisiert. Er war selbst an der Übersichtsstudie in Nature beteiligt. „Der Satellit liefert bestimmte Daten, die von Raumfahrtagenturen wie ESA und NASA zur Verfügung gestellt werden. Die Höhe berechnet dann jeder Wissenschaftler selbst daraus, und da gibt es unterschiedliche Strategien“, erklärt er. Was der Satellit misst, ist kein Gewicht, wie die 2,72 Gigatonnen aus den Ergebnissen vermuten ließen, sondern eine Zeit. Vom Satellit wird ein Radarsignal zur Erde geschickt, das an der Oberfläche reflektiert und vom Satellit wieder empfangen wird. „Gemessen wird die Laufzeit zwischen Satellit und Erdoberfläche und daraus berechnen wir dann die Entfernung und schlussendlich die Oberflächenhöhe“, erklärt Helm. Hierbei ist weniger die absolute Entfernung interessant als die Änderung der Oberflächenhöhe zu früheren Messungen. „Aus der Änderung der Entfernung können wir eine Volumenänderung der gesamten Antarktis ausrechnen“, so Helm weiter. Es ist so ähnlich, als würde man Wasserstände in einem Schwimmbecken vergleichen und dann ausrechnen, wie viel Wasser verschwunden ist – nur dass man in der Antarktis gewissermaßen „Eis- oder Schneestände“ vergleicht. Ob aber Eis oder Schnee verschwunden ist, ist eine weitere wichtige Frage, denn nur weil sich die Höhe in der Messung verändert hat, hat sich nicht unbedingt auch die Masse verändert: Eis und Schnee unterscheiden sich in ihrer Dichte. Ein Milchkarton voller (Wasser-)Eis enthält ungefähr dreimal so viel Wasser wie ein Milchkarton voller Schnee. Und das gilt nur, wenn der Schnee schon eine Weile liegt. Neuschnee verhält sich wiederum anders. Erst wenn man weiß, was genau da geschmolzen ist, weiß man, wie viel Masse eigentlich aus der Antarktis verschwunden ist.

Forschen in lebensfeindlicher Umgebung

Für die Verteilung von Eis und Schnee in der Antarktis und für das Verhalten der Eismassen gibt es Modelle, die vor Ort aus Messungen am Boden und aus der Luft erstellt wurden. Fliegt man zum Beispiel mit einem Flugzeug über die Landschaft, kann ein besonderes Radarsystem von dort aus mehrere Kilometer tief in Schnee und Eis hineinmessen. Auch Eiskernbohrungen vor Ort liefern wichtiges Wissen zur Klima‧geschichte und zu den physikalischen Eigenschaften des Eises.

Aber sowohl Bohrungen als auch Flugzeugexpeditionen sind logistisch extrem aufwendig. Veit Helm hat bereits mehrmals an solchen Unternehmungen teilgenommen und erzählt von den Vorbereitungen. „Wenn wir von der Küste losfliegen, ist die Reich‧weite recht kurz. Wollen wir im Inland Eis mit dem Flugzeug messen, müssen wir zuerst Sprit dorthin bringen, mit Schlittenzügen oder Pistenbullies. Wir müssen also ein Camp aufbauen und eine Landebahn für die Flieger präparieren, und das alles bei Sommertemperaturen von minus 25 bis 40 Grad Celsius in einer Höhe von bis zu 4000 Metern.“ Man braucht Heizsysteme für die Flieger, damit die empfindliche Elektronik nicht über Nacht einfriert. Und natürlich muss die Sicherheit für Menschen gewährleistet sein, denn wer auf so einer Expedition krank wird, kann nicht so schnell zurück. „Man kann nicht einfach hinfliegen und messen“, fasst er zusammen.

Solche Vor-Ort-Messungen kann man daher nicht beliebig oft machen und für die bestehenden Modelle zur Verteilung von Eis und Schnee muss man sich mit den verfügbaren Daten zufriedengeben. Davon abgesehen haben aber auch die Satelliten‧messungen selbst ihre Tücken. Das Radarsignal wird nicht kontinuierlich ausgesandt, sondern in kurzen Abständen, so dass auf der Erde Messpunkte mit mehreren Hundert Metern Abstand entstehen. Landet das Signal zufällig an einer steilen Bergflanke, führt das zu Verzerrungen in der gemessenen Höhe. Andererseits kann eine Höhenänderung auch dann in den Daten erscheinen, wenn nichts geschmolzen, sondern nur Schnee zusammengesackt ist. Das Radarsignal dringt außerdem ein Stück weit in den Schnee ein. Auch hier entstehen kleine Unterschiede, wenn sich die Konsistenz der Oberfläche ändert. Als vor einigen Jahren in einem ungewöhnlich warmen Sommer in Grönland die Schneeoberfläche anschmolz, ergaben die Höhenmessungen statt einem Absinken einen Anstieg von ein bis zwei Metern – aber nur, weil das Signal nicht mehr so weit wie sonst in den Schnee hineinragte, weiß Veit Helm.

Es ist also eine ganze Reihe kleinerer und größerer Herausforderungen, mit denen die Klimaforschung in der Antarktis zu kämpfen hat. Die beiden anderen Methoden haben zwar nicht unbedingt dieselben Probleme wie die Altimetrie – aber dafür andere. Bei der Massenbilanz zum Beispiel muss man wissen, wie viel Schnee in der Antarktis fällt. Das misst niemand von Hand, sondern es wird aus Klima- und Wettermodellen berechnet, die wiederum auf Satellitendaten basieren. Wie viel Eis an den Küsten schmilzt, wird ebenfalls mit Hilfe von Satelliten gemessen, inklusive aller Schwierigkeiten.

Wenn das Land sich bewegt

Bei der Gravimetrie-Methode wiegt man nicht allein das Eis, sondern auch den Untergrund, der sich allerdings ständig verändert. Während der letzten Eiszeit, die vor etwa 10 000 Jahren endete, lag auf der Antarktis deutlich mehr Eis als heute. Das war so schwer, dass es den Kontinent selbst weiter in den Erdmantel drückte. Seit große Teile des Eises geschmolzen sind, hebt sich das Land einige Millimeter pro Jahr und gewinnt damit an Masse. Ähnliches passiert in Skandinavien, wo man mit Hilfe von GPS-Sendern die Landhebung genau verfolgen kann. In der Antarktis aber geht das nicht so leicht. „Um die Landhebung zu messen, muss man sehr präzise GPS-Sender direkt auf das Grundgestein setzen“, erklärt Ingo Sasgen, Spezialist für Gravimetrie am Alfred-Wegener-Institut und ebenfalls an der Nature-Studie beteiligt. „In der Westantarktis gibt es einige Berghänge oder aus dem Eis ragende Gipfel, wo man solche Geräte installiert hat. Aber in der Ostantarktis sieht man kaum Grundgestein, fast überall ist Eis.“ Die Datenlage dort ist also schlecht, man weiß schlicht nicht, wie sehr sich der Kontinent verändert und greift auf Simulationen dazu zurück, wie sich der Erdmantel oder große Eismassen bewegen. „Die Landhebung ist für die Gravimetrie in der Antarktis die größte Fehlerquelle. Sie führt zu einer Unsicherheit von ungefähr 30 Prozent“, fasst Ingo Sasgen zusammen.

Wichtig für genauere Aussagen über die Eisschmelze sind also Messungen vor Ort. „Um Eis- und Schneeschichten unterscheiden zu können, brauchen wir Referenzen von Eiskernen“, sagt Veit Helm. „Wir brauchen immer wieder solche Validierungsdaten. Erst das in Kombination mit den Satellitendaten macht unsere Ergebnisse besser. Und dann werden auch die Modelle besser“, fügt er hinzu. Anna ‧Wåhlin hat eine ähnliche Meinung. „Wenn man 100 Bohrungen machen könnte …“, überlegt sie. „Es ‧würde viel Geld kosten, aber es würde die Satellitenmessungen so viel wertvoller machen.“

Hauptsache Kontinuität

Andrew Shepherd dagegen ist anderer Ansicht. Er ist Professor an der Universität Leeds, Großbritannien, und koordiniert das mehr als 80 Personen starke Team hinter der Übersichtsstudie aus Nature. „Die Unsicherheiten sind nicht groß“, findet er. „Dort wo sie am größten sind, in der Ostantarktis, entsprechen sie einem jährlichen Meeresspiegelanstieg von 0,1 Millimeter mehr oder weniger. Genauer brauchen wir über die Eismassen nicht Bescheid wissen“, ist er überzeugt. Natürlich könne man mit verbesserten Messtechniken genauer werden, aber wichtiger sei etwas anderes: „Im Moment gibt es bei keiner Weltraumorganisation ein langfristig gesichertes Programm für Satellitenmessungen über der Antarktis. Wenn ich entscheiden dürfte, wohin Geld gehen sollte, dann wäre ich für einen relativ einfachen Satelliten mit der heutigen Technik, der aber langfristig kontinuierlich Messungen macht.“ Hier stimmt ihm Veit Helm vom Alfred-Wegener-Institut zu: „Lange Zeitreihen ohne Lücken sind das Wichtigste, um die Fehler in unseren Ergebnissen kleiner zu machen“, sagt er (siehe Infokasten Satellitenmissionen, S. 52).
Nur weil man seit inzwischen rund 25 Jahren ‧Satellitenmessungen mache, könne man jetzt in eine neue Ära übergehen, meint Andrew Shepherd. Die natürlichen Wetterschwankungen verliefen an der Antarktis in Zyklen von drei bis fünf Jahren. Erst jetzt, wo man einige Zyklen in den Daten dokumentiert hat, könne man langfristige Veränderungen und Zusammenhänge sehen. „Viele Klimamodelle sind nie an Satellitendaten überprüft worden. Das kann man jetzt endlich tun“, freut sich Shepherd.

Und die Eismassen der Antarktis? Zwischen all den Unsicherheiten lässt sich über den langen Zeitraum von 25 Jahren hinweg doch ein deutlicher Trend erkennen. „Das ist das Gute an der Studie“, meint Veit Helm. „Hier kommen viele Lösungen zusammen und sie liegen im Trend recht gut beieinander.“ Und der Trend ist eindeutig: Die Antarktis verliert zunehmend an Masse. Das Eis schmilzt.

Diese Tatsache lässt sich angesichts der gesammelten Daten aus den letzten 25 Jahren kaum bezweifeln. Je länger der südlichste Kontinent unter Beobachtung steht, desto besser können die globalen Klimamodelle mit den Entwicklungen dort in Einklang gebracht werden. Desto besser können sie also auch vorhersagen, wie der Klimawandel uns in den nördlichen Breiten treffen wird. Was die Datenversorgung dafür angeht, sind zumindest die nächsten Jahre gesichert: Erst im September hat die NASA ihre Mission ICESat 2 in die Umlaufbahn gebracht. Und während der Vorgängersatellit dem menschlichen Bodenpersonal immer wieder Probleme machte, scheinen der aktuelle Trabant und die Instrumente an Bord einwandfrei zu funktionieren. Damit ist die Eis‧forschungs-Community also fürs erste versorgt.

Der Beitrag erschien zuerst in der Januar-Ausgabe 2019 von natur. Nun ist er für den Medienpreis Luft- und Raumfahrt 2020 in der Kategorie Nachwuchs nominiert. Aus diesem Anlass machen wir ihn hier auch online noch einmal zugänglich.

© natur.de - Henrike Wiemker