Antarktisches Festeis-Programm in der Atkabucht des AWI feiert 10-jährige Messreihe

31. Januar 2020

Die Meereisausdehnung in der Antarktis steuert langsam auf ihr saisonales Minimum zu, welches wir in ungefähr einem Monat erwarten. Mit momentan 3,36 Mio. km² Packeis, welches den antarktischen Kontinent umschließt, liegt die Ausdehnung leicht unter dem langjährigen Mittel der Jahre 1981 – 2010, aber oberhalb der sehr niedrigen Ausdehnung aus dem vergangenen Jahr (siehe Abbildung 1 und 2). Im Vergleich zum Vorjahr zeigt sich vor allem im nordöstlichen Weddellmeer sowie im Rossmeer eine höhere Meereisausdehnung, wohingegen in der Amundsensee schon jetzt sehr geringe Meereiskonzentrationen gemessen wurden.

Die Ausdehnung des antarktischen Packeises um den südlichsten Kontinent ist stark von den vorherrschenden atmosphärischen und ozeanischen Zirkulationssystemen bestimmt, welche die Drift des Meereises bestimmen. Nur ein kleiner Teil des Meereises ist davon ausgenommen: Das Festeis, jenes Meereis, welches an den (Schelfeis) Küsten des antarktischen Kontinents sowie an Eisbergen in flachen Ozeangebieten festgewachsen ist. Festeis-Gebiete finden sich dabei häufig in kleinen Einbuchtungen der Küstenlinie. So auch in einer circa 25 km langen (in Ost-West-Richtung) und 18 km breiten (in Süd-Nord-Richtung) Einbuchtung des Ekström-Schelfeises bei ca. 70°30‘S und 8°W – in der Atkabucht. Dies ist die Bucht, in der sich in circa 8 km Entfernung von der Küste die deutsche Forschungsstation Neumayer Station III  auf dem Schelfeis befindet (Abbildung 3). Das Festeis ist hier nicht nur eine wichtige Komponente im Klimasystem und gibt Hinweise auf Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozean und dem angrenzenden Schelfeis, sondern es spielt eine mindestens genauso große Rolle für das Ökosystem: Eine riesige Pinguinkolonie von Kaiserpinguinen lebt auf dem Eis der Bucht, sobald sich dieses im Süd-Herbst wieder gebildet hat und die Tiere tragen kann (Abbildung 4). Zusätzlich bildet das Festeis einen stabilen Lebensraum für Mikroorganismen und Algen.

 

Das Festeis-Messprogramm in der Atkabucht

Seit nun mehr zehn Jahren werden regelmäßig Messungen des Festeises durchgeführt, welches in der Regel im Südsommer in der Bucht aufbricht und ins Weddellmeer driftet. Die Routinemessungen in der Atkabucht werden vom Überwinterungs Team an der Neumayer Station III durchgeführt. Die Messungen beginnen, sobald das Meereis stabil und sicher zu begehen ist (i.d.R. im Juni) bis hin zum Aufbruch der Bucht im Januar/Februar. Dabei werden im Wesentlichen Schnee-, Festeis- und Plättcheneisdicke entlang eines einheitlichen 24-km Transekts in West-Ost-Richtung über die gesamte Atkabucht gemessen (siehe Abbildung 5a und b). Diese Messungen werden von der Meereisphysikerin Dr. Stefanie Arndt vom Alfred-Wegener-Institut seit drei Jahren koordiniert. Sie tragen aktiv zum ‚Antarctic Fast Ice Network‘ (AFIN) bei, welches im Rahmen des Internationalen Polarjahres (IPY) 2007/08 initiiert wurde. „Die Idee von AFIN ist, dass um den antarktischen Kontinent Festeis-Messungen nach einem einheitlichen Protokoll durchgeführt werden und wir damit großskalig das Festeis und seine Bedeutung im Klimasystem besser verstehen können“, erklärt Stefanie Arndt. Sie fügt weiter an: „Mit der Kontinuität der Messungen sowie der Länge der Zeitserie in der Atkabucht zeichnen wir uns als Meereissektion und damit als AWI in AFIN deutlich aus und sind Vorbild für viele internationale Partner in dem Projekt. “Für die Meereismessungen gibt es allerdings an der Station keinen expliziten „Meereis-Überwinterer“, der die Arbeiten durchführt. „Unser Meereis-Programm konnte nur in dieser Kontinuität und Professionalität durchgeführt werden, weil wir über all die Jahre eine großartige Unterstützung von der AWI Logistik und den anderen Überwinterern vor Ort erhalten haben. So ist in der Regel der Meteorologe vor Ort unser Hauptansprechpartner – und derjenige, der die Messungen koordiniert. Für die Messfahrten wird er dann von freiwilligen Helfern aus seinem Team unterstützt“, erzählt die Meereisphysikerin.

Begonnen hat die kontinuierliche Zeitreihe 2010 unter der Leitung von AWI-Meereisphysiker Dr. Marcel Nicolaus. Von 2011 bis 2015 hat anschließend Mario Hoppmann im Rahmen des Forschungsprojektes „Sea Ice Mass Balances influenced by Ice Shelves (SIMBIS)“ im antarktischen Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) nicht nur seine Doktorarbeit über das Festeis und seine Bedeutung im Klimasystem geschrieben, sondern auch die Betreuung der Arbeiten an der Station übernommen – und war selbst für drei Monate vor Ort. „Die ersten Festeis-Messungen in der Atkabucht sind aber schon weit älter als ich selbst“, fügt die Meereisphysikerin Stefanie Arndt lachend an. Schon während der ersten Überwinterungen in der Georg-von-Neumayer Station Anfang der 1980er Jahre hat der damalige Überwinterer Sepp Kipfstuhl die Wichtigkeit des Festeises erkannt und hat während seiner Überwinterung immer wieder Messungen in der Bucht durchgeführt. Vergleicht man seine Messergebnisse mit den heutigen, zeigt sich: Der Klimawandel ist in der Atkabucht noch nicht angekommen. Heute wie damals beobachten wir über die Atkbabucht eine mittlere saisonale Meereisdicke von circa zwei Metern mit einer Schneeauflage von circa 70 Zentimetern. Unter dem Meereis akkumuliert eine Plättcheneisschicht im Mittel von vier Metern Dicke  – unabhängig davon, ob das Meereis am Ende der Saison aus der Bucht hinausbricht oder nicht. Im Jahr 2012, zum Beispiel, lag der große Eisberg B15G vor der Bucht, so dass das Festeis in der Bucht nicht aufbrechen und hinausdriften konnte – die Bucht blieb ganzjährig mit Festeis bedeckt, welches somit mehrjährig wurde. „Im darauffolgenden antarktischen Sommer, nach also zwei Jahren, wurden die Plättcheneisschicht dann mit einer Mächtigkeit von circa acht Metern gemessen“, erklärt die Meereisphysikerin.

In ihrer aktuellen Veröffentlichung in dem wissenschaftlichen Journal „The Cryosphere Discussions“ hat die junge Wissenschaftlerin die Ergebnisse über die Messungen in der Bucht zusammengefasst. „In dem Paper konnten wir zeigen, dass sich weder das Festeis, noch seine Schneeauflage und auch das Plättcheneis darunter über den Beobachtungszeitraum verändert haben. Stattdessen zeigt sich jedoch sehr deutlich, dass die vorherrschenden starken Ostwinde in der Bucht die räumliche Verteilung der Schneeauflage dominieren.“ Messprofile über die Bucht in Ost-Wind-Richtung zeigen daher einen starken Gradienten in der Schneedicke, der im östlichen Teil der Bucht eine sehr geringe Schneeauflage zeigt, wie auch im zentralen Bereich der Bucht. Katabatische Winde, also ablandige Fallwinde, verstärken diesen Effekt am östlichsten Messpunkt (ATKA24) und sorgen auch am westlichen Messpunkt (ATKA03) für vergleichsweise geringe Schneedicken (siehe Abbildung 5b). Gleichzeitig spielt die Schneeauflage eine wichtige Rolle für das zusätzliche Anwachsen der Festeisdicke von oben: Die verhältnismäßig dicke Schneemasse relativ zur Eisdicke darunter sorgt dafür, dass die Schnee-Eis-Grenzfläche unter Umständen nicht mehr über dem Wasserniveau sondern darunter liegt. „Wenn wir von Meereis ohne Schnee ausgehen, verhält sich dieses wie ein Eisberg: 90 % der Eismasse liegt unter dem Wasserspiegel und nur 10 % schauen oben raus. Wenn wir nun aber eine zusätzliche Schneeschicht auf das Eis bringen, stimmt dieses Gleichgewicht nicht mehr und die Masse kann so schwer werden, dass sie das Meereis – wortwörtlich – unter Wasser drückt“, erklärt Stefanie Arndt, deren Forschungsschwerpunkt sich um die Schneeauflage auf antarktischem Meereis dreht. „Wenn Wasser auf die Schnee-Eis-Grenzfläche gelangt ist, gefriert dieses relativ schnell aufgrund der niedrigen Temperaturen – auch im Sommer. Das dadurch neugebildete Schnee-Eis lässt somit das Festeis von oben wachsen. Diesen Prozess beobachten wir auch auf antarktischem Packeis sehr häufig“, erklärt die Meereisphysikerin weiter. Mit wachsender Plättcheneisschicht von unten wird der Auftrieb dieser Plättcheneisschicht immer stärker, so dass ein Teil der Plättchen langsam in das Eis von unten einwächst. Somit wächst das Festeis in der Bucht ganzjährig – von oben und unten – und das nicht nur durch „natürliche“ thermodynamische Prozesse zwischen Ozean und Atmosphäre, wie in der publizierten Studie vorgestellt wird.

Am 29. Dezember 2019 fand die voraussichtlich letzte Messung für das 10. Jubiläumsjahr in der Atkabucht statt (Abbildung 7). Ein Jahr, was es in sich hatte. Anfang 2019 ist das Festeis in der Atkabucht zwar aufgebrochen, aber nur der östliche Teil des Eises ist auch aus der Bucht hinaus gedriftet. Der komplette Westteil wurde in geringem Umfang zusammengeschoben und ist wieder eingefroren. „Wir vermuten, dass der Grund für dieses Verhalten kleine Eisberge sind, die Anfang 2018 im Festeis mit eingefroren waren, und das Hinausdriften damit unterbunden haben“, erklärt Stefanie Arndt. Durch dieses Verhalten war der westliche Teil des Festeises in der Bucht sehr uneben und schwer zu befahren. Das Überwinterungs-Team hatte damit vor allem zu Beginn der Saison große Schwierigkeiten, die Meereismessungen durchzuführen. „Wir haben gemeinsam mit dem Überwinterungs-Team und der AWI Logistik anhand von Satelliten-Bildern nach immer neuen Wegen durch dieses ,Eis-Geröllfeld’ gesucht. Am Ende hat uns die Zeit in die Karten gespielt, da die Schneedrift, die Oberfläche etwas begradigt hat und das Befahren dadurch einfacher wurde.“ So ist nun auch das 10. Jahr der Messungen erfolgreich abgeschlossen. „Ich bin stolz zu sehen, wie sich das Meereis-Programm über die zehn Jahre entwickelt hat und zu einer festen Instanz an der Neumayer Station geworden ist. In einem so professionellen Umfeld arbeiten zu dürfen und zu sehen, mit wieviel Einsatzbereitschaft jedes Überwinterungs-Team bei Wind und Kälte unsere Meereisarbeiten durchgeführt hat, ist wirklich beispiellos.“ Die letzte Messfahrt im Dezember wurde nicht nur für die Routine-Messungen genutzt, sondern auch dafür, dass das „alte“ Überwinterungs-Team, das „neue“ Überwinterungs-Team in die Arbeiten auf dem Meereis eingeführt hat. „Ich freue mich drauf, wenn wir in wenigen Monaten wiederbeginnen, die Messungen für die nächste Saison vorzubereiten.“ Denn das Messprogramm soll selbstverständlich weitergehen. „Für die Zukunft wünsche ich mir, dass wir noch mehr über die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozean, Festeis und die angrenzenden Schelfeise in der Atkabucht lernen. Da hier der Klimawandel noch nicht so offensichtlich ist, wie in anderen Bereichen der Polargebiete, haben wir hier die Möglichkeit, den initialen Zustand zu beschreiben – und das wird uns helfen, zukünftige Veränderungen im lokalen Klimasystem besser zu verstehen und beschreiben zu können.“