Meereis und Atmosphäre

Der Einfluss von Meereis auf die Atmosphäre ist vielfältig und deckt ein weites Spektrum von physikalischen Prozessen auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen ab. Der Austausch von Wärme, Feuchtigkeit und Impuls an der Grenzschicht von Meereis und Atmosphäre ist sehr komplex und von vielen Faktoren abhängig. Dieser Austausch durch oberflächennahe Ströme wird als turbulenter Austausch bezeichnet. Meereis stellt prinzipiell keine homogene Fläche dar, sondern zeichnet sich bezüglich seiner Eigenschaften (Alter, Dicke, Porosität, Salzgehalt, Schneebedeckung, Fließverhalten, Rauigkeit) durch deutliche räumliche Gradienten aus, wodurch der Austausch markant beeinflusst wird.

Die Temperatur der obersten Schicht der polaren Meere liegt um den Gefrierpunkt von −1,8 Grad Celsius. Da die Atmosphäre (mit bis zu -40 Grad Celsius im Winter) wesentlich kälter als das Wasser ist, also ein Temperaturgradient zwischen Wasser und Luft vorliegt, entsteht gemäß den thermodynamischen Gesetzten ein Wärmefluss. Die Atmosphäre entzieht dem Wasser Wärme. Aus diesem Grund gefriert das Wasser, da die kristalline (feste) Aggregatform des Wassermoleküls energieärmer ist, als die flüssige Form.

Existiert eine Eisdecke, wird der Temperaturgradient zwischen Atmosphäre und Wasser unterbrochen, und das Meereis isoliert das relativ warme Meerwasser gegen die kalte polare Luft, so dass weniger Wärme an die Atmosphäre abgegeben wird. In der Folge sinkt die Bildungsrate von Meereis stark.

In erster Linie können Meereis und die darauf befindliche Schneebedeckung (gute Isolatoren) vermeiden, dass dem Ozean größere Menge an Wärme durch die untere Atmosphäre entzogen werden. Den Austausch von Wärme zwischen Ozean und Atmosphäre unterdrückt das Meereis, da der Transport sensibler Wärme in der Eisschicht auf die molekulare Leitung reduziert und die Verdunstung nahezu unterbunden wird. Meereis reduziert den Wärmefluss zwischen Ozean und Atmosphäre um zwei Größenordnungen von etwa 1000 W/m² auf etwa 10 W/m². Damit hat es einen großen Einfluss auf den latenten und fühlbaren Wärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre, welcher auch von der großen Variabilität des Meereises beeinflusst wird.

Die Atmosphäre der Polargebiete ist durch starke Extrema der Solarstrahlung geprägt. Die Menge an Solarstrahlung, die im Sommer ankommt ist aufgrund der langen Tageszeiten relativ hoch, aber die hohe Albedo reduziert die Absorption von kurzwelliger Strahlung, die sonst zur Erwärmung und damit zum Schmelzen des Eises führen würde. Die Solarstrahlung ist im Winter nicht vorhanden. Die Winter sind daher gekennzeichnet durch starke Temperaturinversionen (stabile Atmosphärenschichtung), bedingt durch die langen Polarnächte und die erheblichen Energieverluste durch die Eigenemission des Erdkörpers in Form von langwelliger Ausstrahlung. Im Winter dominiert somit die langwellige Strahlung die Energiebilanz. Das Vorhandensein von Wolken kann diese Bedingungen verändern, die aus Verdunstungsprozessen über eisfreien Flächen entstanden sind, und die sehr effektiv langwellige Strahlung absorbieren. Im Sommer ist der wärmende Effekt von Wolken meist geringer, da es eine viel stärkere Bewölkung gibt und diese die eintreffende Strahlung reduziert. All diese Faktoren sind Beispiele für einen positiven Rückkopplungsmechanismus.

Das Meereis steht auch in enger Beziehung zur atmosphärischen Dynamik. Der Einfluss konzentriert sich auf die atmosphärische Grenzschicht nahe der Erdoberfläche. Die im Gegensatz zu Wasser höhere Rauigkeit des Meereises bewirkt, dass der meist von der Atmosphäre zur Meeresoberfläche gerichtete Impulsfluss in eisbedeckten Regionen höher ist als bei offenen Wasserflächen (Übertragung von Windenergie durch Reibung). Darüber hinaus sind die Eisober- und unterseiten unterschiedlich deformiert, so dass selbst bei gleichen atmosphärischen oder ozeanischen Bedingungen mit lokalen Variationen des Impulsaustausches zu rechnen ist. In Gebieten mit vollständiger Eisbedeckung wird deshalb der Energieaustausch an der Meeresoberfläche, abgesehen von Strahlungsprozessen, stark eingeschränkt. Der Impulsaustausch zwischen Atmosphäre und Meereis kontrolliert primär die Meereisdrift auf einer Zeitskala von einem Tag und mehr, während ozeanische Strömungen dies auf einer Zeitskala von mehr als einem Monat tun.

Aufgrund der tiefen Temperaturen über dem Eis rund um die Pole kommt es zum Absinken von Luftmassen. Dadurch bildet sich in der Höhe über dem Meereis ein Tiefdruckgebiet. Die in das Tief einströmende Luft wird durch die Corioliskraft zu einem sich gegen den Uhrzeigersinn drehenden zirkumpolaren Wirbel umgelenkt. Obwohl dieser 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.

Weiterhin unterbrechen offene Wasserflächen in Form von Polynjas und Rinnen variabler Größe das gesamte Meereisgebiet mit regional unterschiedlichem Flächenanteil. Polynjas und Eisrinnen sind Orte im Meereis, an denen besonders viel Wärme vom Ozean an die Atmosphäre abgegeben wird. Durch Wind- oder Wasserströmungen (teilweise auch durch unsichtbare (latente) Wärmeflüsse) wird frisch gebildetes Meereis vom Ort seiner Entstehung entfernt. Dies kann durch Verschiebung oder durch Schmelzprozesse geschehen. Da Polynjas und Eisrinnen in Gebieten auftreten, in welchen Meereis existieren müsste, liegt ein großer Temperaturgradient zwischen Atmosphäre und Ozean vor, welcher die Meereisentstehung begünstigt. Wird nun das frisch generierte Eis beständig verschoben, kann sich keine kontinuierliche Eisdecke bilden, welche das relativ warme Wasser von der sehr kalten Luft isoliert. Der große Wärmefluss (von etwa 1000 W/m²) bleibt bestehen, ebenso wie die Entstehungsrate von Meereis, welches wieder verdriftet wird. Auf Grund der hohen Eisproduktion sind Polynjas und Eisrinnen Orte von besonderer Bedeutung für die „kalten Enden der globalen Heizung“, da hier das Meerwasser besonders kalt, dicht und sehr salzig ist.