Massenbilanzbojen

In den letzten Jahrzehnten wurden autonome Meereis-Massenbilanzbojen (IBM: ice mass-balance buoys) in die Meereisdecke verankert. Die von den derzeitigen Meereisbojen gesammelten Daten können in folgende vier grundlegende Kategorien gruppiert werden:

Meereis- und Schneedicke

Meereisdrift

meteorologische Beobachtungen

Temperaturprofile von der Atmosphäre über das Eis in den Ozean

Die Mehrheit der Datenauswertungen fokussiert sich auf Massenbilanzdaten. Diese Daten, erfasst von den akustischen Entfernungsmessern, welche ober- und unterhalb der Meereisoberfläche verankert sind, liefern ganzjährige, hochauflösende Messungen der Veränderungen von Schnee und Meereis. [1]

Informationen aus Massenbilanzbojen können vielseitig verwendet werden. Mit den von ihnen gewonnen Daten kann beispielsweise bestimmt werden, wie hoch die jeweiligen Anteile von Atmosphäre und Ozean am Schmelzen des Meereises sind. Die Daten können ebenfalls genutzt werden, um die Meereisdrift mit atmosphärischen Druckfeldern zu korrelieren oder Satellitendaten zu validieren, und um Driftwege für Sedimentstudien am Meeresgrund zu rekonstruieren. Mit Massenbilanzbeobachtungen von Bojen konnte gezeigt werden, dass die Ursachen von Veränderungen in der Dichteverteilung des Meereises in der Nähe des Nordpols eher den advektiven als den thermodynamischen Prozessen zuzuschreiben sind. Sie halfen auch den dramatischen Eisrückgang in der Beaufortsee und dem Arktischer Ozean in den Jahren 2007 und 2008 dem strahlungsbedingten Erwärmen des offenen Ozeans zuzuordnen und die starke Korrelation zwischen Meereiskonzentration und Schmelzprozessen an der Unterseite des Meereises aufzuzeigen. So konnte die Bedeutung der lokalen Erwärmung aufgrund von Eisalbedo-Rückkopplungsprozessen veranschaulicht werden. [1]

Messprinzip einer Massenbilanzboje

Auf dem Eis arbeitende Massenbilanzbojen bieten die Möglichkeit, regelmäßige Beobachtungen der Massenbilanz des Meereises an vielen Standorten über Zeiträume von mehreren Jahren durchzuführen.

Akustische Sensoreinheiten über und unter dem Meereis messen die Ober- und Unterseite des Eises, während die Thermistorketten sich durch Schnee- und Eisdecke und in den oberen Ozean ausdehnen, um einen Temperaturverlauf durch den Schnee, das Eis und den oberen Ozean in regelmäßigen Abständen zu messen. Diese Temperaturverläufe können dann dazu genutzt werden, um die Wärmeflüsse des Ozeans zu berechnen, und die Messungen zur Bestimmung der Eisober- und Eisunterfläche zu unterstützen. Zusammengefasst geben diese Daten wieder, ob es eine Veränderung in der Massenbilanz des Meereises aufgrund von Eisbildung, Oberflächen- oder Unterseitenschmelze oder durch die Akkumulation von Schnee gibt. [1,2]

Ein Überblick über den prinzipiellen Aufbau und Funktionsweise einer Massenbilanzboje ist in der folgenden Abbildung veranschaulicht.

Abbildung: Skizze des prinzipiellen Messprinzips einer Massenbilanzboje. Die klassische Massenbilanzboje besteht aus einer zentralen Einheit, die mit zwei weiter entfernt gelegenen Einheiten über Verbindungskabel verbunden ist. Das zentrale Gehäuse enthält den Datenspeicher, Batterien und den Satellitensender (Argos/Iridium)/4/, sowie ein Barometer. Ein Lufttemperatursender kann je nach Modell entweder hier liegen, oder weiter entfernt angebracht sein. Dieses zentrale Gehäuse ist in einen Hohlraum eingesetzt, der das Eis nicht durchdringt. Das Einsetzen dieser Bestandteile in das Eis hilft, die Temperaturextreme zu mildern, denen sie ausgesetzt sind. Die außenliegenden Sensoren befinden sich an zwei Trägerstrukturen, die Hohlräume ausfüllen, welche das Meereis völlig durchdringen. Eine Trägerstruktur platziert akustische Sensoreinheiten über und unter dem Meereis, die andere ist mit Thermistorketten ausgestattet, welche sich durch die Schnee- und Eisdecke und in den oberen Ozean ausdehnen und in regelmäßigen Abständen die Temperatur messen (Quelle geändert nach [2])

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[1] C. Polashenski, D. Perovich, J. Richter-Menge, B. Elder: Seasonal ice mass-balance buoys: adapting tools to the changing Arctic, Annals of Glaciology 2011, 52(57), S. 18-25
[2] J. A. Richter-Menge, D. K. Perovich, C. Geiger, B. C. Elder, K. Claffey: Ice Mass Balance Buoy: An Instrument to Measure and Attribute Changes in Ice Thickness, in: Arctic Sea Ice Thickness: Past, Present and Future, European Commission 2006}