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Klimaforschung Kryosphäre
DKRZ - MPI-M Hintergrundwissen zum Thema Kryosphäre 2012
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Hintergrundwissen zum Thema Kryosphäre

Die Kryosphäre spielt eine bedeutende Rolle für den globalen Strahlungshaushalt und steht in wichtigen Wechselwirkungen mit Ozean und Atmosphäre. Von besonderer Bedeutung für die Umwandlung der einfallenden Solarstrahlung in Wärmeenergie ist das deutlich höhere Reflexionsvermögen (Albedo) von Eis und Schnee gegenüber Boden und Wasser. Während Ozean und Ackerboden bis zu 80-90% der einfallenden Sonnenstrahlen absorbieren und in Wärme umwandeln und damit eine Albedo von nur 10-20% haben, liegt die Albedo bei Eis und Schnee bei 50-90%.

Bei einer sich ausdehnenden Eis- und Schneedecke erhöht sich daher die globale Albedo und damit der Energieverlust an den Weltraum. Die dadurch bedingte Abkühlung verstärkt die Eis- und Schneebildung weiter, wodurch sich wiederum die Albedo erhöht usw. Man spricht hier von einem positiven Rückkopplungseffekt, der auch in umgekehrter Richtung ablaufen kann:

Abschmelzende Eis- und Schneeflächen vermindern die Reflexion und verstärken damit die Erwärmung der Luft, des Wassers und des Bodens, wodurch der Abschmelzvorgang weiter beschleunigt wird. Derartige Rückkopplungseffekte haben offensichtlich in der Klimageschichte eine wesentliche Rolle gespielt, z.B. bei dem Wechsel von Kalt- und Warmzeiten im Pleistozän oder in der von einigen Forschern angenommenen "Schneeball-Erde"-Periode im Proterozoikum.

Im gegenwärtigen globalen Klimawandel trägt der Rückkopplungseffekt zu einer verstärkten Erwärmung in hohen Breiten bei.

Meereis

Im Unterschied zu dem Eis von Eisschilden und Gletschern, das durch Niederschlag entsteht, wird Meereis durch das Gefrieren von Meerwasser gebildet. Bei einer Wassertemperatur von unter -1.8 °C bilden sich millimetergrosse Eiskristalle, die sich an der Wasseroberfläche ansammeln und zu einer Eisdecke zusammenfrieren. Beim Gefrieren wird Salz an das unter dem Eis befindliche Wasser abgegeben, sodass dessen Salzgehalt steigt.

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. Für das sommerliche Minimum im September beträgt dieser Rückgang in den letzten 30 Jahren etwa zwei bis drei Millionen km2 wobei sich der Trend im letzten Jahrzehnt noch verstärkt hat. Die Meereisdecke der Antarktis ist im Sommer dagegen gleich geblieben und nimmt im Winter leicht um 0,5% pro Jahrzehnt zu.

Beobachtungen zeigen, dass das Eis der Arktis schneller schmilzt als Klimamodellebislang berechnet hatten. Die Geschwindigkeit des Abschmelzens des Meereises hängt direkt mit der globalen Erwärmung zusammen.

Allerdings haben unsere Simulationen auch gezeigt, dass selbst nach einem totalen Abschmelzen der Arktis das Meereis wiederkommen könnte, wenn die globale Erwärmung aufgehalten würde. Dann könnte sich das Meereis der Arktis schon nach wenigen Jahren wieder bilden.

Dr. Johann Jungclaus, Max-Planck-Institut für Meteorologie Hamburg
Die Abnahme der Ausdehnung des arktischen Meereises zwischen 1979 und 2011 (September-Eis).2

Auch die Meereisdicke scheint in der Arktis deutlich abgenommen zu haben, obwohl es schwierig ist, hierüber verlässliche flächendeckende Informationen zu erhalten. Das Meereis wird unter heutigen Klimabedingungen in weiten Teilen der Arktis jeden Winter neu gebildet. 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, sondern vielmehr dort, wo es durch Eisdrift zusammengeschoben wird.

Die globale Erwärmung mit ihrer stärksten Ausprägung in hohen Breiten dürfte die Hauptursache für den Rückgang des Meereises sein. Zwar zeigen Rekonstruktionen über die letzten 1'500 Jahre auch erhebliche Schwankungen der Eisbedeckung, ein Abschmelzen von mehreren Millionen km2 in nur wenigen Jahrzehnten dürfte aber in diesem Zeitraum ohne Beispiel sein10. Die Beobachtungen über den historischen Zeitraum deuten zudem darauf hin, dass die Veränderungen nicht Ausdruck interner Variabilität sind, sondern auf den anthropogenen Treibhauseffekt zurückzuführen sind10.Dieser manifestiert sich in der Erwärmung der bodennahen Luftschichten, die im Mittel zwischen 1981 und 2003 0,54 °C pro Jahrzehnt betrug und damit deutlich über dem globalen Durchschnitt lag.

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.

Eine fortschreitende globale Erwärmung wird auch weiterhin das Abschmelzen des arktischen Meereises vorantreiben. Alle Klimamodellrechnungen zeigen bis zum Ende des 21. Jahrhunderts eine starke Reduzierung der Eisfläche im Sommer, z.T. sogar ihr völliges Verschwinden im Laufe dieses Jahrhunderts.7

Befürchtungen, dass sich der Verlust des Meereises derart verstärken könnte, dass er unabhängig von den vorherrschenden Klimabedingungen und damit irreversibel werden könnte, haben sich jedoch in Modellexperimenten nicht bestätigt11. Der fortschreitende Verlust des Arktischen Meereises könnte also verlangsamt oder sogar gestoppt werden, wenn die globale Erwärmung verringert oder aufgehalten wird.

Folgen für das Klima

Das Arktische Meereis wird nicht nur durch Änderungen des Klimas beeinflusst, sein Abschmelzen besitzt auch Rückwirkungen auf das Klima. 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 Nordatlantischen 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 Nordatlantische Oszillation geschwächt. Als Folge können Kaltluftmassen aus den arktischen Breiten bis nach Europa und die USA vordringen.8

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. 9,12

Quellen:

1.verändert nach IUP Bremen, http://iup.physik.uni-bremen.de/ 1a. Gerland, S., Aars, J., Bracegirdle, T., Carmack, E., Hop, H., Hovelsrud, G.K., Kovacs, K.M., Lydersen, C., Perovich, D.K., Richter-Menge, J., Rybråten, S., Strøm, H., & Turner, J. (2007): Ice in the Sea. Chapter 5 of Global Outlook for Ice and Snow. UN Environment Program (UNEP), 63-96
1b. National Snow and Ice Data Center: Arctic Sea Ice News Fall 2007
1c. Wang, M., and J.E. Overland (2009): A sea ice free summer Arctic within 30 years? Geophys. Res. Lett., 36, L07502, doi: 10.1029/2009GL037820
1d. National Snow and Ice Data Center: September 15, 2011 Arctic sea ice at minimum extent
2. Verändert nach The National Snow and Ice Data Center: Sea Ice Decline Intensifies, 28 September 2005, http://nsidc.org/news/press/20050928_trendscontinue.html; ergänztdurchhttp://nsidc.org/news/press/2007_seaiceminimum/20070810_index.html
3. 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
4. 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
5. 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
6. Michael Böttinger, DKRZ (Bild nach Konsortialrechnungen für den Fourth Assessment Report des Intergovernmental Panel of Climate Change mit dem Atmosphären-Ozean-Modell ECHAM5 / MPI-OM)
7. Vgl. Symon, C., L. Arris, B. Heal (2005): Arctic Climate Impact Assessment, Cambridge, Chapter 6, Cryosphere and Hydrology, http://www.acia.uaf.edu/pages/scientific.html
8. Francis, J.A., et al. (2009): Winter Northern Hemisphere weather patterns remember summer Arctic sea-ice extent. Geophys. Res. Lett., 36, L07503, doi:
9.1029/2009GL037274 9. Overland, J., et al. (2010): Atmosphere, in Arctic Report Card 2010
10. Kinnard, C. et al. (2011): Reconstructed changes in Arctic sea ice over the past 1450 years. Nature, 479, 509-513.
11. Notz, D. and J. Marotzke (2012): Observational record reveals anthropogenic impact on Arctic sea-ice retreat. Submitted to Geophys. Res. Lett.
12. Tietsche, S. et al. (2011): Recovery mechanisms of Arctic summer sea ice. Geophys. Res. Lett., 38, L02707, doi:10.1029/2010GL045698.
13. Jaiser, R. et al. (2012): Impact of sea ice cover changes on the Northern Hemisphere atmospheric winter circulation. Tellus (A), 64, 11595, doi:10.3402/tellusa.v64i0.11595.

Nach Dr. Dieter Kasang, http://bildungsserver.hamburg.de/das-klimasystem/2064130/kryosphaere-artikel.html

Quelle: Text Deutsches Klimarechenzentrum (DKRZ) und Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), Hamburg, Februar 2012

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