Schweregetriebene Drainage ("gravity drainage")

Wenn Meerwasser gefriert, können auf Grund der entstehenden Kristallgitterstruktur keine Moleküle und Ionen, also auch keine Salze, in das Eis eingebunden werden und es kommt zu einer Auftrennung in zwei Phasen. Das Kristallgitter des festen Eises besteht nahezu nur aus Wassermolekülen. Das im Meerwasser enthaltende Salz kann dabei nicht in das Kristallgitter des Eises eingebaut werden, sondern wird im Meereiskörper in kleinen Kanälen und Kammern in Form einer flüssigen salzigen Sole konzentriert.

In kleine Kanäle eingeschlossen werden außerdem Gase, wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid, welche ebenfalls nicht in das Kristallgitter von Eis eingebunden werden können. Da dieser Prozess nicht absolut ist, sinkt der Salzgehalt des Wassers nicht auf 0, sondern auf etwa 10 Promille, wenn es den festen Aggregatszustand Eis einnimmt. [1]  Die zuerst nicht miteinander verbundenen Eiskristalle konsolidieren sich zu einer Matrix, in deren zusammenhängenden Zwischenräumen die salzreiche Sole eingefangen wird. Dabei gilt: je kälter das Eis wird, desto mehr Salz wird aus dem Eis ausgestoßen und desto höher konzentriert ist die Sole in den Kanälchen. [2]

Gravitative Drainage ist ein Entsalzungsprozess, in dem die Sole unter der Einwirkung der Schwerkraft aus dem Eis in das unterliegende Meerwasser drainiert. Wenn das Eis wächst und die Eisdicke zunimmt, hebt sich die Eisoberfläche graduell über den Meerwasserspiegel, um im isostatischen Gleichgewicht zu bleiben. Das Heben produziert im verbundenen Porensystem einen hydrostatischen Druck, der die Sole heraustreibt. Zusätzlich verursacht der winterliche negative Temperaturgradient eine instabile Dichteschichtung. Die kalte und damit dichtere Sole an der Eisoberfläche ist über einer wärmeren und damit leichteren Sole im unteren Teil des Eises geschichtet. Innerhalb der Solekanäle führt dies zu einer Konvektionsströmung, welche die dichtere Sole aus dem Eis heraus führt. Dieser Prozess mündet in einer Entsalzung des Eises und der Ausbildung des Drainagesystems.

Prinzipiell können die Solekanäle einen Durchmesser vom Mikrometer- (µm) bis in den Millimeterbereich (mm) aufweisen. Sie bilden eine Art verästeltes Drainagesystem und machen Meereis sehr porös.

Zusammen mit den saisonalen Salzgehalts- und Temperaturschwankungen verändert sich der relative Anteil der Sole am Gesamtvolumen des Eises. Das Porenraumvolumen kann über 35 Prozent des Gesamtvolumens für sehr warmes mehrjähriges Eis betragen, aber auch typische Werte von unter fünf Prozent des Eisvolumens für sehr kaltes mehrjähriges Eis annehmen. Die teils vom Meereis, teils aber auch bereits während der Entstehung von Meereis abgesonderten Salzionen (NaCl) reichern sich unterhalb des Meereises an.

Zuvor erreicht das Eis, das aus Meerwasser mit einem Salzgehalt von 34 Promille entsteht, beispielsweise eine Temperatur von -6 Grad Celsius. Damit wird die Konzentration der Sole bei 100 Promille liegen. Sinkt die Temperatur mit der Zeit auf -10 Grad Celsius, so erhöht sich die Salzkonzentration der Sole auf 145 Promille. [3]  Ebenfalls zu beobachten ist, dass bei einer Temperaturabnahme die Anzahl der Kanäle abnimmt. Kleinere Kanäle laufen dabei zusammen um größere Sammelkanäle zu bilden, welche häufig in vertikaler Richtung verlaufen. Damit ähnelt Meereis strukturell einem Schwamm, vor allem dann, wenn die Sole aus dem Eis abläuft.

Als Folge des Abflusses der Sole sinkt der Gesamtsalzgehalt des Eises im Laufe der Zeit von anfänglichen über 10 Promille auf unter 5 Promille. Älteres Eis, wie mehrjähriges Eis, hat aufgrund dieses Austretens des Salzes einen geringeren Salzgehalt (um 3 bis 3,5 ‰) als jüngeres, einjähriges Eis (5 ‰). Dabei ist der Salzgehalt nicht gleichmäßig vertikal im Eis verteilt. Bei mehrjährigem Eis nimmt er nach unten hin zu, während der Salzgehalt von erstjährigem Eis an der Oberfläche hoch ist (8 bis 16 ‰), dann abnimmt und in der Nähe der Eisunterkante wieder ansteigt. [4]



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[1] P. Wadhams, Ice in the Ocean, Gordan and Breach Science Publisher, 2000, S. 49
[2] G. Hempel und I. Hempel, Faszination Meeresforschung, Ein ökologisches Lesebuch, Verlag H. M. Hauschild GmbH, Bremen, 2006, S. 42
[3] D. N. Thomas und G. S. Dieckmann, Frozen Ocean, The floating world of pack ice, Natural History Museum, London, 2004, S. 23
[4] W. B. Tucker et al., Physical properties of sea ice relevant to remote sensing, in Carsey, 1992, S. 9-28