Die Arktis hat sich in den vergangenen Jahrzehnten deutlich schneller erwärmt als der Rest der Welt und das arktische Meereis schwindet. Bisher konnte die Meereisdicke aber nur im Winter zuverlässig mittels Satelliten gemessen werden, nicht aber während der wichtigen Schmelzperiode im Sommer. Jetzt haben Wissenschaftler eine Methode entwickelt, durch die erstmals auch die Satellitendaten zur Meereisdicke während des Sommers verlässlich interpretiert werden können. Das ist wichtig für die Eisvorhersage und Schifffahrt in arktischen Gewässern, aber auch für die Klimaforschung und sogar für Wettervorhersagen in unseren Breiten.
Das arktische Meereis spielt eine entscheidende Rolle nicht nur für die Nordpolregion und den arktischen Ozean, sondern weit darüber hinaus. Die Ausdehnung und Dicke dieser schwimmenden Eisflächen beeinflussen, wie viel Sonnenlicht ins All zurückgestrahlt wird und damit auch, wie stark sich die Erde erwärmt. Von der Meereisdicke hängt aber auch ab, wie viel Licht noch in den darunter liegende Ozean gelangt, und prägt so die Aktivität der marinen Algen und damit die gesamte Nahrungskette des arktischen Ozeans. Und nicht zuletzt bestimmt die Dicke des Meereises auch, ob es beispielsweise für Eisbären und Menschen tragfähig ist und ob Eisbrecher es durchbrechen können. In den letzten Jahrzehnten hat sich das Verhalten des arktischen Meereises jedoch zunehmend verändert: Weil sich die Arktis überproportional stark erwärmt, taut in den Sommermonaten mehr Eis ab als früher und immer weniger Meereisgebiete sind dick genug, um dieser sommerlichen Tauperiode zu trotzen. Als Folge nimmt auch die Menge des mehrjährigen, dauerhaft vorhandenen Meereises ab.
KI hilft beim Problem der Sommermessungen
Um die Ausdehnung und Dicke des Eises in der Arktis zu messen, werden seit den 1980er Jahren Radar-Satelliten eingesetzt. Seit 2010 übernimmt dies vor allem der Satellit CryoSat-2 von der Europäischen Weltraumagentur ESA, der ganzjährig das arktische Meereis abtastet und durchleuchtet. Anhand der Reflexionen der Radarwellen können Wissenschaftler die Grenze zwischen Eis und Wasser ausmachen und so die Eisdicke bestimmen – theoretisch. In der Praxis funktioniert dies aber nur im arktischen Winter verlässlich, von Oktober bis April, weil dann Eis und Schnee kalt und trocken sind. „In den Sommermonaten werden die Satelliten von Tümpeln aus Schnee und Schmelzwasser geblendet, die sich auf der Meereisoberfläche sammeln“, erklärt Erstautor Jack Landy von der Universität Tromsø. Aus den Radardaten geht dann nicht mehr eindeutig hervor, wo das Wasser des Schmelztümpels aufhört und das Eis beginnt. Ausgerechnet in der Zeit, in der das Meereis am stärksten taut und die größten Veränderungen auftreten, war der Radarsatellit dadurch bisher weitgehend blind für die Eisdicke.
Um das zu ändern, haben Landy und sein Team nun nach einer Möglichkeit gesucht, die im Sommer gesammelten Radardaten der Satelliten doch nutzbar zu machen. Dafür nutzten sie eine künstliche Intelligenz, um die bisher schwer auszuwertenden Daten genauer zu analysierten. Das lernfähige System erhielt zum Training Radardaten von Cryosat-2, bei denen bekannt und gekennzeichnet war, welche Wellenmuster von Eisoberflächen und welche von freiem Wasser oder wasserhaltigem Schnee stammen. Anhand dieser Daten lernte das KI-System, die spezifischen, für das menschliche Auge kaum unterscheidbaren Wellenmuster zu deuten und auseinanderzuhalten. Mithilfe des auf diese Weise trainierten Algorithmus und unterstützt von numerischen Simulationen gelang es Landy und seinem Team so erstmals, die arktische Eisdicke auch während der Sommermonate hinreichend genau zu bestimmen.
“Ganz neue Einblicke”
Das Ergebnis ist ein Datensatz, der zum ersten Mal die Dicke des Meereises in der gesamten Arktis und über das ganze Jahr hinweg zeigt. Weil nun Daten der Zeitperiode von 2011 bis 2020 ausgewertet wurden, können Eisforscher jetzt auch genauer abschätzen, wie stark die saisonalen und zwischenjährlichen Schwankungen sind. „Mit den ganzjährigen und arktisweiten Daten bekommen wir ganz neue Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean“, sagt Co-Autor Thomas Krumpen vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven. Die neuen Satellitendaten zur Eisdicke im Sommer können nun auch für Vorhersagen der Eisausdehnung und des Eisvolumens eingesetzt werden und sie deutlich präziser machen als bisher. Für die Schifffahrt in der Arktis, aber auch für künftige Wetter- und Klimavorhersagen seien die Ergebnisse von großer Bedeutung, so das Team.
„Mit den neuen Satellitendaten sind wir endlich in der Lage, Meereisvorhersagen auf der Grundlage der Eisdicke zu treffen, und nicht nur für den Winter, sondern auch für den Sommer”, erklärt Landy. „Wir können vorhersagen, ob an einem bestimmten Ort im September Eis vorhanden sein wird oder nicht, indem wir die Eisdicke im Mai messen. Das wird die Sicherheitsrisiken für Schiffe und Fischerboote verringern.” Aber auch die Vorhersagen für das Wetter in den mittleren Breiten könnte sich durch die nun verfügbaren Informationen aus der Arktis verbessern.
Quelle: Jack Landy (University of Tromsø, Norwegen) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-022-05058-5
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