Schnee- und Thermistorboje

Aktuell setzt die Arbeitsgruppe Meereisphysik des AWI zwei Bojentypen auf arktischem und antarktischem Meereis ein: Bojen zur Messung der Dicke und Temperatur von Meereis (Thermistorbojen) und Bojen zur Messung der Schneedicke (Schneebojen).

Die zum Einsatz kommende Schneebilanzboje stellt eine vereinfachte Form der Massenbilanzboje dar. Sie besitzt, im Gegensatz zur Massenbilanzboje, nur die akustische Sensoreinheit, um über dem Meereis die Oberfläche des Schnees zu messen. Dabei ist die Schneeboje mit vier Ultraschallsensoren ausgestattet, wodurch zum Beispiel mögliche Messausfälle und Messungenauigkeiten ausgeglichen werden können.

Um Informationen über die Meereisdicke zu erhalten werden davon räumlich getrennt gleichzeitig, als völlig autarke Einheiten, sogenannte Thermistorbojen ausgebracht. Dabei verwenden die Forscher des AWIs eine ebenfalls besondere Art der Massenbilanzboje, die von der Scottish Association for Marine Science (SAMS) entwickelt wurde.

Die SAMS-Boje besteht im Wesentlichen aus einem mehrere Meter langen Schlauch, in den kleine Temperatursensoren, sogenannte Thermistoren, eingelassen sind. Üblich ist eine knapp fünf Meter lange Kette, mit 240 Thermistoren in einem Abstand von 2 cm. Diese Thermistorkette ist mit einer Kontrolleinheit in einem Plastikkoffer verbunden, die die Sensoren ansteuert und die Daten aufnimmt. Zusätzlich bestimmt ein GPS-Empfänger die Position der Eisscholle, auf der sich die Boje befindet. Ein integriertes Iridium-Modem versendet die Daten über Satellit an eine zentrale Datenerfassungsstelle.

Beim Ausbringen der Boje wird mit speziellem Bohrgestänge, das in vielen Bereichen der Polarforschung Einsatz findet, ein Loch mit einem Durchmesser von 5 cm in das Meereis gebohrt. Die Thermistorkette wird dann mit einem Gewicht beschwert und in das Loch hinabgelassen. Auf der Oberfläche befestigt man die Thermistorkette an einem Gestell oder einer Stange, und verbindet sie mit der Kontrolleinheit. Das Intervall der Temperatur- und Positionsmessungen lässt sich nach dem Ausbringen der Boje über Satellit einstellen. Dies ist wichtig, da je nach Bedingungen andere Zeitintervalle von Bedeutung sein können. Um Energie zu sparen, kann beispielsweise die Temperaturmessung abgeschaltet werden. In diesem Fall wird nur die GPS-Messung im Abstand mehrerer Tage übermittelt.

Eine Besonderheit der Thermistorboje ist die Möglichkeit, die verschiedene Medien Luft, Eis und Wasser anhand ihrer unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeiten zu unterscheiden. Dazu wird zunächst regulär die Temperatur aufgezeichnet. Die Thermistoren werden dann für eine kurze Zeitdauer aufgeheizt, und die Temperatur nach einigen Sekunden erneut aufgezeichnet. Die Differenz dieser Werte ist abhängig von der Fähigkeit des Mediums, die entstandene Wärme abzutransportieren und gibt somit Aufschluss über dessen thermische Leitfähigkeit. Im Tiefenprofil erkennt man daher Sprünge in der Temperaturdifferenz, die auf Grenzflächen zwischen verschiedenen Medien, beispielsweise Eis und Wasser, hindeuten. Durch diese Messmethode besteht auch im Sommer, wenn die Temperatur von Meereis und Ozean nahezu gleich ist, die Möglichkeit, die Lage der Eisunterseite in den Profilen abzuleiten. Die Messung der Leitfähigkeit erlaubt es ebenfalls, Informationen über die Schneedicke abzuleiten.

Das hier von der Arbeitsgruppe Meereisphysik des AWI verfolgte Prinzip der „verteilten Observatorien“ besitzt verschiedene Vorteile. Im Gegensatz zur klassischen Massenbilanzboje, bei der die einzelnen Einheiten von der Funktion der zentralen Einheit abhängig sind, wird hierbei das Risiko eines Ausfalls auf einzelne Einheiten verteilt. Weiterhin werden die Anschaffungskosten verringert, wodurch insgesamt weitaus mehr Bojen ausgesetzt werden können.