Entstehung von Meereis

Meereis verändert sich innerhalb großer zeitlicher und räumlicher Skalen und greift dabei mit vielen anderen Sphären ineinander. Die kurze Darstellung der Prozesse und Phänomene an dieser Stelle kann nur einen oberflächlichen Eindruck ermöglichen und einzelne wenige Aspekte erfassen, aber das Thema nicht in seiner Komplexität abbilden. Für eine detaillierte und vollständigere Beschreibung kann auf die entsprechende Fachliteratur zurückgegriffen werden.

Um viele Zusammenhänge rund um das Meereis verstehen zu können, sind verschiedene Grundlageninformationen zum Thema Wasser und Eis wichtig. Dies betrifft die Eigenschaften des Elements Wasser in all seinen Aggregatszuständen, besonders aber die Kristallstruktur von gefrorenem Wasser, dem Eis. Speziell der Salzgehalt von Ozeanwasser beeinflusst seinen Gefrierpunkt, welcher mit zunehmendem Salzgehalt abnimmt. Die Löslichkeit von Salzen ist wiederum abhängig von der Temperatur des Meerwassers und der jeweiligen Ionenkonzentration. Sinkt die Temperatur, gefriert ein Teil des Meerwassers und der Salzgehalt im noch flüssigen Wasser steigt. Diese Abhängigkeit der Meereiszusammensetzung von der Temperatur kann in einem Phasendiagramm dargestellt werden.

Veränderungen der Meereisstruktur werden hauptsächlich durch die Entsalzung von Meereis hervorgerufen. Diese kann auf drei verschiedenen Wegen stattfinden, der schweregetriebenen Drainage, dem Sole-Ausstoß und der Auswaschung. Für alle drei Prozesse gilt: je älter das Eis ist, desto weniger Salz enthält es. Auf Grund der Tatsache, dass das Salz in Form einer hochkonzentrierten Sole zur Unterseite des Eises hin an den Ozean abgegeben wird, steigt dessen Salzgehalt.

Meereismikrostrukturen sind für die optischen und thermodynamischen Eigenschaften von großer Bedeutung und sind ein Ergebnis und eine Dokumentation des Wachstumsprozesses. Die Textur von Meereis bezeichnet seine Größe, Form und die räumliche Anordnung der einzelnen Eiskristalle. Sie hängt von den atmosphärischen und ozeanographischen Bedingungen während des thermodynamischen Eis-Wachstums ab und lässt daher auf die Entstehungsgeschichte des Eises schließen. Die Korngröße ist eine Funktion des Temperaturgradienten und der Wachstumsgeschwindigkeit. Kleinere Kristalle weisen auf eine hohe Wachstumsgeschwindigkeit, größere auf eine geringere hin. Form und Anordnung der Kristalle im Eis spiegeln ozeanographische Bedingungen wider und sind von der Turbulenz innerhalb der Wassersäule abhängig. Deformationsprozesse (dynamische Prozesse) hervorgerufen durch Wind und Meeresströmungen spielen eine weitere wichtige Rolle.

Da Meereisstrukturen unterschiedliche Phasen besitzen (festes Eis, gasförmige Luft, flüssige Sole und wenige feste Einschlüsse) und diese verschiedenen Phasen unterschiedliche thermische, optische und mechanische Eigenschaften aufweisen, ist das Eis anisotrop. Das bedeutet, dass die Eigenschaften des Eises richtungsabhängig sind. Die heterogene räumliche Anordnung der Phasen (z. B. Mikrostruktur und Textur), also ihre ungleichmäßige Verteilung im Meereis, wirkt sich auf die Wachstumsrate des Eises aus.

Einhergehend mit den komplexen Entstehungsprozessen können auch die Erscheinungsformen von Meereis stark variieren, sodass verschiedene Meereis-Formen existieren und dieses Eis andere Eigenschaften als Festlandeis aufweist. So wirken Wind und Meeresströmungen auf den Wachstumsprozess von Meereis. Aus dem zunächst entstehenden sogenannten frazil-ice bildet sich bei ruhiger Wetterlage an der Grenzfläche zwischen Ozean und Atmosphäre eine durchgängige dünne Eisschicht, die Nilas genannt wird. Im Gegensatz dazu entstehen bei unruhiger Wetterlage nicht-zusammenhängende pfannkuchenförmige Eisplatten, die auf Grund ihrer Erscheinungsform Pfannkucheneis genannt werden. Mit der Zeit nimmt das Volumen des Meereises zu, Nilas, welche zunächst so dünn sind, dass sie schwarz erscheinen weil das dunkle Meer durchscheint, werden zunehmend dicker und damit auch heller. Gleichzeitig bleibt die Eisoberfläche regelmäßig. Pfannkucheneis hingegen kann kollidieren und sich übereinander schieben, sodass ebenfalls eine dicke, jedoch unregelmäßige Eisoberfläche entsteht.

Auf welche Art und Weise das Meereis auch entsteht, es ist großen äußeren Einflüssen unterlegen und verändert sich stetig. Eine bedeutende Veränderung ist der Schmelzprozess im Frühling und Sommer, wenn ein Teil des einjährigen Meereises wieder in Wasser verwandelt wird. Das Eis, welches diese Periode überdauert, wird mehrjähriges Meereis genannt. Da es einen weiteren Winter über existiert, ist dieses Eis auch wesentlich dicker als einjähriges Eis.

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[1] geändert nach: D.N. Thomas und G. Dieckmann, Sea ice an introduction to ist physics, chemistry, biology and geology, Blackwell Publishing, 2003, S. 23