Meereis und Strahlungsbilanz

Eis und Schnee, die man zusammenfassend als Kryosphäre bezeichnet, spielen eine bedeutende Rolle für den globalen Strahlungshaushalt und stehen in wichtigen Wechselwirkungen mit Ozean und Atmosphäre.

Bedeutung der Albedo für das Klima

Die auf die Erde einfallende solare Strahlung wird von jedem beschienenen Körper entweder reflektiert, absorbiert oder transmittiert. Diese drei Möglichkeiten sind im Zusammenhang mit den Eigenschaften der Kryosphäre für das globale Klima auf unterschiedliche Weise von Bedeutung. Die Albedo kennzeichnet das Reflexionsvermögen eines Körpers von solarer Einstrahlung, das heißt, dass das Verhältnis von reflektierter zu eingestrahlter Strahlung angegeben wird. Sie ist abhängig von der Art und der Beschaffenheit der bestrahlten Fläche und vom Einfallswinkel der Strahlung. Glatte Oberflächen wie Wasser, Sand und Schnee haben einen relativ hohen Anteil spiegelnder Reflexion. An der Erdoberfläche ist Meereis nach Landschnee der Parameter mit der größten Variabilität, der Einfluss auf die Erdalbedo (Gesamtalbedo) hat.

Albedo
Der Begriff ist dem Lateinischen entlehnt und bedeutet „Weißheit“. Die Albedo kann definiert werden als Quotient aus reflektiertem und einfallendem Strahlungsstrom, jeweils summiert über den ganzen Halbraum und über alle Wellenlängen. Die mittlere Albedo der Erde beträgt 0,3. Sie kann in Abhängigkeit von Ort und Zeit stark variieren. In die Gesamtalbedo geht also nicht nur die Reflexion von der Erdoberfläche ein, sondern auch die der Atmosphäre. Schneebedeckte (helle) Oberflächen haben eine hohe Albedo. Sie reflektieren einen Großteil der einfallenden Sonnenstrahlung wieder zurück. Im Gegensatz dazu ist die Albedo von pflanzenbedeckten (dunklen) Oberflächen und Ozeanen relativ niedrig. Die Albedo der Erde variiert hauptsächlich wegen unterschiedlicher Bewölkung, Schnee-, Eis-, oder Laubbedeckung und Landnutzungsänderungen.

Da die Kryosphäre mit Eis und Schnee bedeckt eine sehr helle Fläche aufweist, ist hier die Albedo relativ hoch. Sie kann bei großen, schneebedeckten Eisflächen bis zu 0,9 betragen. Auch die geringe Rauigkeit der Kryosphäre verursacht diese hohe Albedo. Wasserflächen hingegen haben, in Abhängigkeit des Einfallswinkels der Sonnenstrahlung, sehr geringe Werte (0,05-0,25).

Einfluss von Eis auf die Albedo

Durch die Kugelgestalt der Erde wird die sowieso schon hohe Albedo der Polgebiete noch weiter angehoben: Im Gegensatz zu den äquatorialen Gebieten trifft die solare Strahlung in den hohen Breiten in einem relativ flachen Winkel auf die Erde. Damit vergrößert sich die von einem Sonnenstrahl beschienene Fläche, während sich die Dichte der einfallenden Strahlung verringert. Somit kann eine Absorption der solaren Strahlung (und damit eine Erwärmung der Erdoberfläche) nur in begrenztem Maße stattfinden. Insgesamt wird auf Grund der hohen Albedo von Schnee und Eis sowie der geografischen Lage der Polgebiete auf der kugelförmigen Erde deutlich weniger Strahlungsenergie vom Erdkörper absorbiert als am Äquator.

Die im Meereis befindliche Salzsole führt zu einer Vielzahl von Phasengrenzen im Inneren, wodurch das einfallende Sonnenlicht in unterschiedliche Richtungen gestreut wird. Das Meereis ist daher nicht durchsichtig, sondern hat ein sehr hohes Reflexionsvermögen wodurch ein Großteil der Sonnenergie ins Weltall zurückgestrahlt wird. Während von Meerwasser je nach Winkel des einfallenden Sonnenlichts nur etwa vier bis sieben Prozent reflektiert werden, reflektiert Meereis bis zu 60 Prozent des Lichts. Bei mit Schnee bedecktem Meereis können sogar rund 85 bis 90 Prozent des Sonnenlichts ins Weltall zurückreflektiert werden. Dies ist einer der Gründe, warum die Polargebiete so kalt bleiben.

Die hohe Albedo in den Polgebieten verursacht, neben den klimatischen Bedingungen eine zusätzlich kühlende Wirkung. [3]  Sie verringert die Absorption kurzwelliger Strahlung, was zur negativen Strahlungsbilanz in hohen Breiten entscheidend beiträgt. Dennoch hängt die Albedo – und damit ihre Wirkung – stark von der Dicke und der Art der Schneebedeckung des Meereises ab. Hierbei durchläuft die Albedo einen ausgeprägten Jahresgang, der vor allem im Sommer in der Arktis bemerkenswert ist, da dort auf dem Meereis der Schnee schmilzt und sogenannte Schmelztümpel bildet. Diese blauen Flächen absorbieren wesentlich mehr Energie, als die obliegenden weißen Eisflächen.

Besonders für die klimatischen Rückkopplungen der Meereisschmelze ist dies von Bedeutung, da sich entsprechend der Jahreszeiten und der Schnee- und Meereiseigenschaften die Albedo verändert. Die Sonne ist die Hauptenergiequelle der Erde und Meereis der Haupt-Reflektor. Damit hat es einen wesentlichen Einfluss auf die Strahlungsbilanz der Erde.

Rückkopplungprozesse im Klimasystem
Typisch für die oft nichtlinearen Reaktionen des komplexen Klimasystems und von großer Bedeutung für Klimaschwankungen sind Rückkopplungsprozesse. Einige dieser Rückkopplungsmechanismen verstärken die globale Erwärmung („positive Rückkopplung“) andere wirken selbstregulierend („negative Rückkopplung“). Auf äußere Störungen reagieren die einzelnen Komponenten des Klimasystems durchaus unterschiedlich und führen zu nicht erwarteten Effekten.

Positive Rückkopplungen können eine Verstärkung von ursprünglich sehr schwachen und für sich kaum wirksamen Variationen äußerer Klimaantriebe bedingen. Außerdem führen sie zur Instabilität des Klimasystems, da es sich nach der erfahrenen Auslenkung immer mehr (und immer schneller) von der Ausgangslage entfernt („Überschießen“). Negative Rückkopplungen führen zu einer Stabilisierung des Klimasystems, da es nach der Auslenkung in seine Ausgangslage zurückkehrt.

Eis-Albedo-Rückkopplung

Nimmt die Intensität der einfallenden solaren Strahlung im Sommer zu, erwärmen sich – trotz hoher Albedo – auch die hohen Breiten und Schnee und Meereis beginnen zu schmelzen. Schmilzt das Meereis, wird der Flächenanteil des Strahlung-absorbierenden Wassers größer. Damit einhergehend sinkt die Albedo, das heißt, die Polgebiete absorbieren einen größeren Teil der einfallenden solaren Strahlung, statt sie zu reflektieren, erwärmen sich weiter und bringen damit das Eis noch stärker zum Schmelzen. Da dieser Effekt sich selber verstärkt, schmelzendes Meereis also eine stärkere Schmelze verursacht, spricht man von einem positiven Rückkopplungseffekt, dem Eis-Albedo-Rückkopplungseffekt. Aufgrund der Eis-Albedo-Temperatur-Rückkopplung werden alle Temperaturänderungen – seien sie nun auf natürliche oder auf menschengemachte Ursachen zurückzuführen – zu den Polen hin verstärkt. Dies wird in der Klimaforschung als „polar amplification (polare Verstärkung) bezeichnet. In der Arktis entfaltet die Eis-Albedo-Temperatur-Rückkopplung eine enorme Wirkung.

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[1] M. Kappas, Klimatologie, Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag, 2009, S. 81
[2] geändert nach: Bahlburg, H., Breitkreuz, C.: Grundlagen der Geologie. 4. Auflage, 2012, S. Springer Verlag, S. 22
[3] Bahlburg, H., Breitkreuz, C.: Grundlagen der Geologie. 4. Auflage, 2012, S. Springer Verlag, S.21