Meereisausdehnung in der Arktis auf Rekordminimum

21. November 2019

Obwohl das sommerliche Meereisminimum in der Arktis durchschritten ist und die Gefriersaison wieder begonnen hat, ist das Meereiswachstum dennoch auf einem historisch negativen Rekordniveau. Die mittlere Eisausdehnung in der Arktis im Monat Oktober betrug nach Analysen des Instituts für Umweltphysik der Universität Bremen nur 5,44 Mio. km² und war damit über 443.000 km² geringer, als das bisherige Minimumjahr 2012 (Abbildung 1). Andere Auswertealgorithmen, wie beispielsweise die des National Snow and Ice Data Centre (NSIDC), können hiervon leicht abweichen (siehe Beitrag 2018). Dies entspricht der Fläche Marokkos oder 1,24 x Deutschlands. Christian Haas, Leiter der Sektion Meereisphysik am Alfred-Wegener-Institut kommentiert: „Noch nie im Zeitraum der kontinuierlichen Meereisbeobachtung haben wir zu diesem Zeitpunkt im Jahr so wenig Meereis in der Arktis beobachtet. Das ist ein beunruhigender Prozess, der vermutlich durch den zunehmenden Wärmeeintrag durch den Ozean und die atmosphärische Zirkulation in die Arktis verursacht wird“.

Die Eisausdehnung in der Arktis ist ein wichtiger Indikator für die Auswirkungen des Klimawandels in den Polarregionen. Das Meereis zeigt hier einen klimatologischen negativen Trend, der die zunehmende Erwärmung in der Arktis widerspiegelt. Im Monat Oktober ist das Meereis seit Beginn der kontinuierlichen Satellitenbeobachtungen um circa 34 Prozent zurückgegangen und zeigt in diesem Jahr seine geringste Ausdehnung (Abbildung 2). Insbesondere im nördlichen Kanadischen Becken, in der Tschuktschen-, Sibirischen- bis hin zur Laptewsee gab es deutlich weniger Eis als im Vergleichsjahr 2012, dem Jahr mit der bisher geringsten sommerlichen Meereisausdehnung (Abbildung 3). Weiter unten werden die beobachteten Veränderungen im Vergleich zu anderen Jahren etwas detaillierter diskutiert. In Abbildung 4 ist zu erkennen, dass auch in den Jahren 2016 und 2018 das Meereiswachstum spät eingesetzt hat und somit mit geringen Eisausdehnungen im Oktober bzw. November verbunden war. Mögliche Ursache des geringen Eiswachstums in diesem Jahr ist in den außergewöhnlich hohen Meeresoberflächentemperaturen zu sehen, die in weiten Bereichen des Arktischen Ozeans bis zu 4°C oberhalb des langjährigen Mittelwerts (1971-2000) lagen (Abbildung 5). Hier muss zunächst eine langanhaltende Abkühlungsphase einsetzen, um die gespeicherte Wärme zu reduzieren und die Meeresoberflächentemperatur auf den Gefrierpunkt abzusenken. Hinzu kommt, dass Lufttemperaturen bis zu 6 °C über dem langjährigen Mittel in der Beaufortsee vorherrschten (siehe Abbildung 5). Nördlich von Grönland war die Luft ebenfalls außergewöhnlich warm, was das Eiswachstum verlangsamt. In Abbildung 6, einer über alle Längengrade integrierten, vertikalen Darstellung der Lufttemperatur in der Arktis, ist sehr gut zu erkennen, wie die warme Meeresoberflächentemperatur zu einer Erwärmung der darüberliegenden Luftmassen beiträgt. Besonders auffällig ist der Bereich zwischen 73°N und 80°N, wo die Temperaturanomalie (Abweichung gegenüber dem klimatologischen Mittel 1971 - 2000) ca. 6 °C erreicht. Dieser Bereich deckt sich ziemlich gut mit der Lage der Meereiskante, besonders in der Beaufort- und Tschuktschensee. Da dort auch die Luftfeuchtigkeit besonders hoch war (siehe Abbildung 7), wurde hier die Neubildung von Meereis erschwert.

Analyse und Einordnung der Meereisbildung im Oktober

Wenn man einzelne Jahre im Vergleich zu klimatologischen Veränderungen diskutiert, muss man immer die Einflüsse der sehr starken Jahr-zu-Jahr Veränderungen (interannuale Variabilität) berücksichtigen. Besonders in hohen Breiten können diese Schwankungen die eigentlichen klimatischen Veränderungen so stark überlagern, dass Klimaänderungen maskiert (unsichtbar) werden. Dieser Effekt ist insbesondere in der Arktis sehr stark ausgeprägt - unter anderen durch die sogenannte Eis-Albedo Wechselwirkung bedingt. Die Klimaforscher sprechen von einem schlechtem ‚Signal-Rausch‘ Verhältnis - die Klimaänderungen sind groß (das Signal), aber auch die Jahr-zu-Jahr und die dekadischen Schwankungen (bedingt durch die sogenannte ‚interne Variabilität‘; das Hintergrundrauschen, engl. ‚Noise‘). Dies führt oft zu scheinbar widersprüchlichen Aussagen, wenn man Veränderungen einzelner Jahre betrachtet.

Eine  Analyse der Meereisbedingungen im Oktober, die das ‚Signal-Rausch‘ Verhältnis berücksichtigt, wurde hierzu von Dr. Frank Kauker, Meereisphysiker am AWI, durchgeführt. In Modellstudien verglich Frank Kauker unter anderen die Anzahl der gefrier-freien Tage (AgfT) vom 1. September bis zum 31. Oktober mit einem klimatologischen Mittel als auch mit einzelnen ausgewählten Jahren. Die AgfT gibt dabei in etwa auch den Zeitpunkt des Einsetzens des Gefrierens an (1. September plus AgfT): Letzteres ist jedoch etwas schwierig zu definieren, da zu Beginn des Winters oft Phasen des Gefrierens durch Warmphasen abgelöst werden, bis sich dann schließlich langanhaltende winterliche Bedingungen durchsetzen. Im Prinzip lässt sich die AgfT auch aus den zeitlichen Veränderungen der beobachteten Eiskonzentrationen ableiten. Basis dieser Ableitung ist dann aber die Veränderung der Meereisfläche. In unserem am AWI betriebenen, hochauflösenden Meereismodel wird neben der Meereisfläche zusätzlich auch die Eisvolumenveränderung simuliert, welche hier zur Bestimmung der AgfT benutzt wird. Aus Beobachtungen ist diese Größe nicht ableitbar, da Eisdickeninformationen flächendeckend nur monatlich von Oktober bis April bestimmbar sind. Abbildung 9 zeigt diese Anzahl für 2019 als Anomalie im Vergleich zu einer Klimatologie der zeitlichen Periode 1980 - 2019, sowie zu den Jahren 1990, 2007, 2012 und 2015 bis 2018.

Im Vergleich zur Klimatologie (Abb. 9, oben links) sind in der gesamtem Arktis 2019 höhere AgfT Werte zu erkennen, am deutlichsten in bzw. nördlich der Tschuktschen-, Sibirischen- bis hin zur Laptewsee. Dort ist die AgfT bis zu 40 (Tage) erhöht. Schon ein Vergleich mit 1990 zeigt aber, dass die AgfT in 2019 nicht überall erhöht ist. 1990 wurde gewählt, da dieses Jahr die höchste über den ganzen arktischen Ozean gemittelten AgfT vor 2005 aufzeigt (Abbildung 2 zeigt auch einen niedrigen Wert in der Meereisausdehnung im Oktober). Auch am Verlauf des Eisalters in Abbildung 8 ist das Jahr 1990 auffällig, da die Fläche des mehrjährigen Eises eine deutliche Reduktion zeigt, von der sich das Meereis nicht wieder erholt hat. Das nächste betrachtete Jahr ist 2007. In diesem Jahr zeigte die Meereisausdehnung im September einen Negativrekord von mehr als 1 Million km² gegenüber dem Langzeittrend und war auch im Oktober sehr auffällig gering (siehe Abbildung 2; aber auch das Meereisalter in Abbildung 8 zeigt 2007 wiederum eine Reduktion des mehrjährigen Eises und bleibt seither niedrig). Im Vergleich zu 2019 ist das Gebiet, welches 2007 für die geringe Eisausdehnung sorgte, das Gebiet nördlich der Tschuktschen- und Sibirischen See. Dieses Gebiet ist jedoch durch eine deutlich höhere AgfT als 2019 gekennzeichnet (Abbildung 9) – alle anderen Gebiete zeigen eine kleinere AgfT als in 2019. 2012 zeigt eine ähnliche Verteilung wie Abbildung 3; nördlich der Tschuktschen-, Sibirischen- bis hin zur Laptewsee ist die AgfT erhöht. Der Vergleich mit den Jahren 2015 bis 2017 ist in dem Sinne unauffällig, da nur in recht kleinen Gebieten die AgfT im Vergleich zu 2019 erhöht ist. Der Vergleich mit 2018 zeigt eine Ost-West-Verteilung – während in den östlichen (recht kleinen) Gebieten die AgfT höher sind als in 2019, sind sie in der Beaufortsee deutlich erniedrigt. In anderen Worten: nicht die Tschuktschen-, Sibirische- und Laptewsee machen den Unterschied, sondern die Beaufortsee.

Was ist nun der Grund für die anhaltend niedrige Meereisausdehnung in der Arktis im Oktober? Ein Vergleich mit der Klimatologie ergibt keine klaren Aussagen: Die AgfT 2019 sind überall deutlich höher gegenüber dem Langzeitmittel, aber das gilt auch für fast alle letzten Jahre. Ein Vergleich mit 2012 zeichnet die Tschuktschen-, Sibirische- und Laptewsee als diejenigen Gebiete mit höheren AgfT (also verspätetem Eiswachstum) aus. Der Vergleich mit 2018 zeigt aber auch, dass in 2018 und 2019 dort recht ähnliche Verhältnisse herrschten – es ist also die Beaufortsee, die den Unterschied macht.
Alter des Meereises

Alter des Meereises

Meereis, das nach dem Minimum im September noch übrig ist, wird als zwei- oder mehrjähriges Eis bezeichnet. Abbildung 8 zeigt, dass der Großteil des Eises aus zweijährigem Eis („1-2 years old“) besteht. Es ist im Herbst/Winter 2018/19 entstanden und hat den diesjährigen Sommer überlebt. Zudem sind bereits eine Millionen km2 Eis darin enthalten, welches nach dem Minimum im September gewachsen ist (gekennzeichnet als „0- to 1-year-old“). Auffällig ist, dass sehr viel weniger altes Eis vorhanden ist, als in der Vergangenheit. Diejenige Eisfläche, die aus Eis besteht, welches zwei Jahre oder älter ist, ist nur noch ein Drittel so groß wie sie Mitte der 1980er war. Verglichen zu Mitte der 2000er sind nur noch 50 % der Fläche altes Eis. (Quelle: NSIDC)

Bei der MOSAiC-Expedition beginnt der Arbeitsalltag

Seit dem Start der MOSAiC-Expedition in Tromsø sind fast zwei Monate vergangen und die ersten Arbeitsalltagroutinen sind im Drift-Camp eingekehrt. Dr. Thomas Krumpen, Fahrtleiter des zu Beginn die Expedition begleitenden Forschungsschiffts FS Akademik Fedorov, ist nach Bremerhaven zurückgekehrt und berichtet von der aufwendigen Suche nach der geeigneten Scholle für die Polarsterndrift  sowie den ersten Installationen der Messintrumentierung im „Distributed Network“ rund um FS Polarstern. „Die Eisbedingungen in der geplanten Startregion für das Driftexperiment waren sehr schwierig, da nur wenige geeignete Schollen vorhanden waren, die den notwendigen Voraussetzungen von Eisdicke und Ausdehnung entsprachen“, erklärte der Meereisphysiker die Arbeit vor Ort. Dennoch konnte das Distributed Network rund um FS Polarstern in wenigen Tagen mit Unterstützung der Helikopter und aller beteiligten Personen aufgebaut werden. Erkundungen der Eisbedingungen durch Eisbohrungen oder auf Schlitten montierten elektromagnetischen (EM) Messsonden zeigten eine modale Eisdicke von 70-80 cm, wobei jedoch das feste Eis häufig nur 30-40 cm dick war und von einer mit Meerwasser durchsetzen Schicht verrottetem Eises unterlagert war.

 

Insgesamt wurden entsprechend der Planung auf drei größeren Eisschollen umfangreiche Observatorien aufgebaut, sowie auf acht Schollen kleinere Messeinheiten und autonome Bojen. Zusätzlich wurden  53 GPS-Bojen in einem Umkreis von bis zu 40 bis 100 km Durchmesser rund um die MOSAiC-Basis ausgebracht, um die großräumige Drift des Eises zu untersuchen und Deformationen im Eisfeld zu beobachten, die zu Scherungen, Rinnen- und/oder Eisrückenbildungen führen. In der zweiten Novemberhälfte wird das erste neue Team aufbrechen, um die Kolleg*innen vor Ort nach der ersten anstrengenden Aufbauphase abzulösen. Eine Animation zeigt die ersten Ergebnisse der ausgebrachten Bojen (siehe Abbildung 11).  

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Haas (AWI)
Dr. Thomas Krumpen (AWI)
Dr. Frank Kauker (AWI)
Dr. Renate Treffeisen (AWI)
Dr. Klaus Grosfeld (AWI)

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