Meereisbildung - frazil-ice

Der Vorgang der Eisbildung und des Eisschmelzens auf dem Meer spielt sich an der Grenzfläche zwischen Meer und Atmosphäre ab. Dort kommt es zu Wechselwirkungen zwischen den Strömungsfeldern der wasser- und eisnahen Luftschicht und der oberen Grenzfläche des Wassers, durch welche Abkühlung, Erwärmung und Wasseraustausch bedingt sind. Das zunächst entstehende „frazil- ice“, mit einem Durchmesser der einzelnen Kristalle von circa drei bis vier Millimetern, ist das Ergebnis einer vertikalen turbulenten Durchmischung des ozeanischen Oberflächenwassers, die durch eine Vielzahl von verschiedenen Faktoren entsteht.

Die Bildung von Meereis (der Gefrierprozess) beginnt im Winter, wenn das Meerwasser an der Grenzfläche zwischen Ozean und der dann kalten Atmosphäre abgekühlt wird und den Gefrierpunkt erreicht. Das an der Oberfläche abgekühlte Wasser sinkt aufgrund der zu seiner Umgebung größer gewordenen Dichte in tiefere Regionen ab, gefriert aber nicht, während das noch warme Oberflächenwasser aufsteigt – um von der kalten Luft abgekühlt zu werden und schließlich ebenfalls zu sinken. Durch Dichte- und Temperaturunterschiede entsteht eine instabile Schichtung des Meerwassers und in der Folge eine vertikale Strömung (Konvektion), wodurch es zu einer Durchmischung der Wassersäule kommt. Dieser Vorgang dauert solange an, bis die Temperatur des Dichtemaximums des Wassers nicht mehr über der Temperatur des Gefrierpunkts liegt.

Wind kann die Vermischung verstärken, sodass sich eine teilweise bis zu mehreren Hundert Meter Tiefe homogene Wassersäule bilden kann. Erst wenn die Temperatur der gesamten Schicht den Gefrierpunkt erreicht, formen sich in dieser homogenen Wassersäule kleine Eiskristalle, die zur Wasseroberfläche aufsteigen. Das bedeutet, dass eine Wassersäule durch Konvektion auf den jeweiligen Gefrierpunkt abgekühlt sein muss, bevor die Eisbildung von der Oberfläche des Meeres durch weitere Abkühlung einsetzen kann. Die darunter liegenden Wassermengen stagnieren bei der Temperatur des Dichtemaximums. Das Aufsteigen der kleinen Eiskristalle ist nur möglich, da mit Einsetzen des Gefriervorgangs Salze aus den Kristallen ausgeschieden werden und die Dichte des eisförmigen Wassers wieder sinkt.

In den ruhigen Tiefen des kalten Oberflächenwassers bilden sich zunächst kleine Kristallplättchen. In vertikaler Wachstumsrichtung dieses Kristalls entstehen dann kleine Ärmchen, sodass das Eiskristall aussieht wie ein Stern. Wurde die Entstehung dieser Eiskristalle erst einmal initiiert, wird die weitere Neubildung von Eiskristallen sehr rasch durch den Prozess der sogenannten „Kristallzüchtung durch Zusammenstoß“ (englisch collision breeding) fortgesetzt. Stoßen die Kristalle mit anderen Eispartikeln oder irgendeiner anderen Oberfläche zusammen, beginnt diese Kristallzüchtung. Bei den Zusammenstößen brechen die Arme der verzweigten Kristalle ab, aus denen neue Kristallkerne entstehen.

Wenn diese Eiskristall-Suspension sich allmählich verfestigt, bildet sich eine suppenartige Schicht an der Oberfläche des Wassers, die beim langsamen Abkühlen seine Eigenschaften ändert und von einer viskosen Flüssigkeit zu einem Feststoff wird. Diese Schicht besitzt üblicherweise eine matte Oberfläche und erscheint in der Regel in verschiedenen Grautönen, wobei die helleren Farbtöne dickere Eisschichten anzeigen. Es wird angenommen, dass der Farbwechsel möglicherweise mit der allmählichen Drainage von eingeschlossener Sole vom oberen Rand der Schicht nach unten verbunden ist, wenn das Eis dicker und älter wird. Während des frühen Stadiums der Eisbildung sieht man sehr häufig die Kristalle zusammengedrängt in Form von ausgedehnten Schwaden und Schlieren, die parallel zum Wind ausgerichtet sind. Diese Ausrichtung der Kristalle des „frazil-ice“ ist vermutlich das Ergebnis der Langmuir Zirkulation in der ozeanischen Grenzschicht. [1]

Meere befinden sich aber darüber hinaus in Bewegung und bestehen in der Regel nicht aus einem homogenen Wasserkörper, sondern sind vielfach geschichtet. Neben dem Oberflächenwasser existieren Sprungschichten (Thermokline), an denen die thermische Konvektion von der Oberfläche gestoppt wird. Im Winter wird also nicht die gesamte Wassersäule bis zum Meeresboden durch Konvektion auf den Gefrierpunkt abgekühlt.

Es gibt darüber hinaus noch weitere Einflussfaktoren, welche die Bildung von Meereis entscheidend beeinflussen und damit regional sehr differenziert modifizieren. Dazu zählen zum Beispiel die Gewässertiefe (flache Gewässer kühlen schneller aus) wie zum Bespiel die Hudson Bay, der südliche Teil des St. Lorenz Golf  oder die Ostsee. Weiterhin von Bedeutung ist der Wassermassenaustausch bedingt durch Strömungen und Modifikation der Grenzflächen durch Schneefall. Weiteren Einfluss haben Wellen und die Zeitspanne, in der die Abkühlung erfolgt. [2]

Meerwasser mit einem Salzgehalt von 35 Promille  würde erst nach Abkühlung der gesamten unterlagernden Wassersäule auf -1,9°C gefrieren. Das salzärmere (30 bis 31 Promille) arktische Oberflächenwasser des Nordpolarmeeres mit einem Gefrierpunkt von -1,6°C bis -1,8°C schafft aber günstige Voraussetzungen für die Meereisbildung. Besonders im sibirischen Schelfeisbereich, kommt es durch Abkühlung schnell zur Entwicklung einer mehrere 100 Kilometer breiten Festeisdecke, die mit dem Land verbunden ist.

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[1] W.F. Weeks, Growth conditions and the structure and properties of sea ice, in: Physics of the ice-covered seas, Volume 1, lecture notes from a summer school in Savonlinna, Finnland 6-17 June 1994, Helsinki University Press, Helsinki 1989, S. 39
[2] E. Obst (Hrsg.), Lehrbuch der allgemeinen Geografie, Geographie des Meeres – Ozeane und Küsten, Teil 2, von Hans-Günter Gierloff-Emden, De Gruyter, 1979, Band 5, S. 774-781
[3] geändert nach: P. Wadhams, Ice in the ocean, Gordon and Breach Science Publishers, 2000, S. 48