DriftStories – 07: Das Omen des ersten Schneeballs

Mit der Sonne kommt im Frühjahr auch die Wärme zurück in die zentrale Arktis. Wie diese jedoch im Detail die Schneeschicht verändert und damit letztendlich auch auf das Meereis wirkt, ist bisher noch nicht richtig verstanden. Auf der MOSAiC-Expedition haben AWI-Meereisphysiker die Veränderungen der Schneedecke deshalb mit ganz besonderem Augenmerk und einem verblüffend einfachen Trick verfolgt.

Satelliten, Roboter, Hightech-Kameras: Auf keiner Polarexpedition zuvor wurde das arktische Meereis bislang mit so viel moderner Technik vermessen wie derzeit im Rahmen der MOSAiC-Expedition. Dennoch greifen die Meereisphysiker im MOSAiC-Eiscamp manchmal auch auf ganz einfache Tricks zurück, um Erkenntnisse zu gewinnen – zum Beispiel auf den kinderleichten Schneeballtest. „Mit dem Versuch, einen Schneeball zu formen, können wir ziemlich gut überprüfen, ob die Schneeschmelze eingesetzt und sich der Flüssigwassergehalt im Schnee erhöht hat. Unter normalen Winterbedingungen ist der Schnee auf dem arktischen Meereis nämlich viel zu kalt und trocken, um ihn zu einer Kugel zu formen“, erklärt AWI-Meereisphysikerin und Schneeexpertin Dr. Stefanie Arndt.

Sie führte den Schneeballtest bei ihren Forschungsarbeiten im MOSAiC-Eiscamp deshalb regelmäßig durch. Schließlich war Stefanie Arndt als Teilnehmerin des dritten Fahrtabschnittes genau zu jenem Zeitpunkt auf der Scholle angekommen, als es in der zentralen Arktis nach der langen Polarnacht zum ersten Mal wieder dämmerte und die Sonne ihre Rückkehr ankündigte. Der Frühling stand vor der Tür und mit ihm die wichtigen Forschungsfragen, ab wann und vor allem auf welche Weise das Sonnenlicht und die steigenden Lufttemperaturen die Schneedecke auf dem arktischen Meereis verändern würden.

Zunächst aber rieselten der Wissenschaftlerin die für den Schneeball gedachten zwei Handvoll Schnee ein jedes Mal durch die Finger – auch als die Sonne in den ersten beiden Aprilwochen schon 24 Stunden pro Tag über dem Horizont stand. „Eine ungestörte, weiße Schneefläche besitzt eine enorm hohe Rückstrahlkraft, die als Albedo bezeichnet wird. Sie reflektiert bis zu 90 Prozent des einfallenden Sonnenlichtes. Wenn zur gleichen Zeit auch die Lufttemperatur unterhalb des Gefrierpunktes liegt, kann die Sonnenenergie den Schnee und das Meereis darunter nicht schmelzen. Das heißt, die physikalischen Eigenschaften des Schnees verändern sich kaum und er pappt auch nicht zusammen“, erzählt Stefanie Arndt.

Ein Vorgeschmack auf den Frühling

Der Wendepunkt kommt am 19. April in Form eines kurzen, massiven Wärmeeinstroms in die zentrale Arktis. Innerhalb eines Tages stieg die Lufttemperatur an der Schneeoberfläche im MOSAiC-Eiscamp von minus 7,4 Grad Celsius auf minus 0,2 Grad Celsius. Die Wärme blieb nur für knapp 24 Stunden, doch ihre Kraft reichte aus, um die Schneedecke nachhaltig zu verändern. „Die warme Luft an der Schneeoberfläche sorgte unmittelbar dafür, dass sich auch das obere Drittel der Schneeschicht bis an den Schmelzpunkt erwärmte“, berichtet die Wissenschaftlerin. Im Anschluss gefror die Schneeschicht wieder komplett. Zu diesem Zeitpunkt aber hatte die Wärme längst erste Spuren im Schnee hinterlassen. „Wir gehen davon aus, dass in dieser kurzen Warmphase die ersten der vielen großen Schneekristalle zu schmelzen begannen, sie ihre Form veränderten und kleiner wurden, auch wenn man der gesamten Schneefläche diese Veränderungen im Detail noch nicht ansehen konnte“, sagt Stefanie Arndt.

Mit bloßem Auge zu erkennen ist einzig und allein eine auffällige Glazéschicht, die sich an der Schneeoberfläche gebildet hat. „Der Schnee sah von oben aus, als sei die gesamte Fläche großflächig angeschmolzen. Tatsächlich aber war die Oberfläche nach dem Wärmeeinbruch wieder angefroren und reflektierte nun wie ein Spiegel“, berichtet die Wissenschaftlerin.

Einen solchen Wärmeeinbruch in der zentralen Arktis selbst mitzuerleben, ist für Stefanie Arndt und alle anderen Wissenschaftler an Bord Polarsterns das Highlight des Frühlings. Alle Forscher-gruppen intensivieren ihre Messungen, um die Auswirkungen des Ereignisses in allen Sphären zu dokumentieren – von der Atmosphäre bis in den Ozean. Relativ schnell aber wird deutlich: Ein kurzer Wärmeeinbruch allein reicht noch nicht aus, um die Schmelzsaison in der zentralen Arktis in Gang zu setzen. Dazu bedarf es schon eines besonderen Ereignisses, welches sich fast vier Wochen später, am 12. Mai einstellt.

An diesem Tag fegt ein Sturmtief vom Nordkap kommend mit Windstärke 7 bis 10 durch die zentrale Arktis und tauscht die winterliche Kaltluft im MOSAiC-Eiscamp gegen wärmere Luft aus dem Süden aus. Die Lufttemperatur an der Schneeoberfläche steigt erneut rasch an – von minus 10,9 auf minus 0,2 Grad Celsius. Nur diesmal bleibt die Wärme und vollendet, was sie im April begonnen hat.

Die Eisschollen werden grau

Frisch gefallene Schneekristalle besitzen eine Vielzahl winziger Flächen und Kanten. An ihnen re-flektiert das Sonnenlicht, sodass die Schneedecke für Betrachter weiß erscheint. Erwärmt sich der Schnee aber, lässt die Wärme die vielen Mikrostrukturen der Schneekristalle miteinander verschmelzen. Kanten werden runder, die Kristalle klumpen zusammen. Backschnee entsteht, aus dem sich nun auch Schneebälle formen lassen. „Setzt sich dieser Prozess über zwei bis drei Tage fort, färbt sich die ehemals weiße Schneedecke grau ein, weil sie aufgrund veränderter optischer Eigenschaften nun nicht mehr das gesamte Spektrum des einfallenden Sonnenlichtes reflektiert. Stattdessen absorbiert sie fortan mehr und mehr Sonnenstrahlung, welche den Schnee weiter erwärmt und seine Schmelze von innen vorantreibt. Er sackt in sich zusammen, wird feuchter und verwandelt sich in grauen Schneematsch, dessen Schmelzwasser in Vertiefungen auf dem Meereis erste Pfützen bildet“, erklärt Stefanie Arndt.

Der Auftakt der Schneeschmelze auf dem Meereis markiert im Frühjahr auch das Ende der AWI-Eisdickenmessungen mithilfe des CryoSat-Satelliten. Ist der Schnee feucht, wird das Radarsignal des Satelliten nicht mehr eindeutig genug zurückgestrahlt. Den Wissenschaftlern fällt es dann schwer, anhand der Messdaten zu erkennen, ob das Signal von einer Schnee-Eisschicht oder aber vom offenen Wasser reflektiert wurde. Daher unterbrechen sie die Messungen für den Laufe des Sommers.

Stefanie Arndt kann die Anfänge der Schneeschmelze in der dritten und vierten Maiwoche leider nur von Bord Polarsterns aus beobachten. Das Schiff befindet sich in dieser für die Meereisphysiker so entscheidenden Phase Corona-bedingt gerade auf dem Weg nach Spitzbergen, um das Wissenschaftler-Team auszutauschen. Als sich das Schiff nach dem Crewwechsel wieder der MOSAiC-Eisscholle nähert, ist es bereits Mitte Juni. 

Ein Teppich aus Schmelztümpeln

Als eine der ersten Teilnehmerinnen des vierten Fahrtabschnittes sieht AWI-Klimaforscherin Dr. Gerit Birnbaum die Scholle. Im Rahmen von Eis-Lasermessungen mit dem Polarstern-Hubschrauber überfliegt sie das Schollen-Ensemble und dokumentiert den Zustand der Eisoberfläche: „Bei unserem ersten Überflug am 16. Juni gab es auf den Eisschollen im Umfeld der MOSAiC-Scholle erste Tümpel hauptsächlich entlang der Presseisrücken. Schmelztümpel in den flacheren, undeformierten Bereichen der Schollen waren noch relativ selten. Stattdessen sahen wir hier regelmäßige graue Muster oder Flächen, die vom schmelzenden Schnee zeugten, während sich die Presseisrücken wie weiße Bänder über die Schollen zogen“, berichtet sie von Bord Polarsterns.

Zwei Wochen später steht auf den Schollen vielerorts Wasser. „Bis Ende Juni nahm dann der Flächenbedeckungsgrad der Tümpel rasch zu; die Schneeschmelze war in vollem Gange. Temperatur-bedingt gab es aber mehrere Zyklen von Schmelze und Wiedergefrieren der obersten Wasserschicht in den Tümpeln. Wir konnten also gut neu gebildete dünne Eisschichten auf ihrer Oberfläche sehen“, erzählt Gerit Birnbaum. Auf dem jungen Eis, welches gerade einen Winter alt war, hatte sich der graue Schneematsch aufgelöst und sein Schmelzwasser einen Flickenteppich aus miteinander verbundenen Pfützen und Tümpeln gebildet. Die Presseisrücken zogen sich weiterhin als hellere Bänder über die Schollen.

Die Veränderungen an der Eisoberseite wirken bis in den Ozean, wie die Strahlungsmessdaten der AWI-Meereisphysiker zeigen. Überall dort, wo Schmelzwassertümpel auf dem Eis entstehen, wird das Sonnenlicht nämlich weniger reflektiert. Es erwärmt das Wasser in den Tümpeln und dringt im zunehmenden Maße durch das dünner werdende Eis in den oberen Ozean, wo es Algen das Startsignal zum Wachsen gibt.

Diese Lichtdurchlässigkeit nimmt erstaunlicher Weise erst dann wieder ab, wenn die Schmelztümpel von oben durch die Eisdecke hindurchschmelzen und ein Großteil ihres Wassers in den Ozean abläuft. In diesem Moment beginnt die nun nackte und freiliegende Eisfläche an den Rändern des ehemaligen Tümpels das einfallende Sonnenlicht wieder stärker zu reflektieren und die AWI-Strahlungssensoren unter dem Eis dokumentieren einen deutlichen Rückgang der Lichtintensität – eine wichtige Erkenntnis für die Energiebilanz und Wärmeflüsse im System Meereis-Ozean.

Auf den Quadratmeter genau

„In den ersten Julitagen sind vor allem große, tiefere Tümpel auf dem zweijährigen Eis ausgelaufen – das heißt, ihre Wasserfläche oder Ausdehnung ist wieder geschrumpft. Auf dem einjährigen Eis ist die Schmelze soweit fortgeschritten, dass in manchen Bereichen der Flächenanteil der blau-schimmernden Tümpel grösser ist als die Fläche der verbliebenen Schneematschreste, die sich nur an jenen Stellen gehalten haben, wo sie topografisch etwas höher liegen“, sagt Gerit Birnbaum. In der Fachsprache werden diese letzten Flecken Grau-Weiß auch „Streuschicht“ genannt, denn als Schnee kann man die Überreste wirklich nicht mehr bezeichnen.

Gerit Birnbaum und ihr Team dokumentieren das Wachsen und Schrumpfen der Schmelztümpel auf den Quadratmeter genau, denn bei den Hubschrauber-Messflügen über das Eis erfassen Kameras die Größe, den Umfang und die Form der einzelnen Tümpel. Außerdem erkennen die Forscher anhand der Kamera-Daten die Größenverteilung der Schmelzwasseransammlungen, ob die Tümpel miteinander verbunden sind und wie tief ein jeder von ihnen ist. Vermessen werden zusätzlich die mittlere Albedo (Rückstrahlkraft) des Meereises und mit einem Laser-Scanner die Topografie seiner Oberfläche.

Zu wissen, wie früh im Jahr sich die ersten Schmelztümpel bilden, wie groß sie werden und wann sie auslaufen, ist entscheidend, wenn es um die Frage geht, wann die Arktis im Sommer vermutlich das erste Mal eisfrei sein wird. Als dunkle, sonnenlicht-absorbierende Fläche trägt das Netz aus Schmelzwassertümpeln nämlich maßgeblich dazu bei, dass das arktische Meereis im Sommer schneller und großflächiger schmilzt als in der Vergangenheit.

Aus diesem Grund laufen Gerit Birnbaums MOSAiC-Schmelztümpel-Messdaten auch in einer Vielzahl wissenschaftlicher Analysen ein. So untersuchen Wissenschaftler, ob die Tümpel auf der MOSAiC-Eisscholle und in ihrem erweiterten Umfeld repräsentativ sind für das Meereis in der zentralen Arktis. Andere wiederum kontrollieren mithilfe der Hubschraubermessungen, inwiefern ver-schiedene satellitengestützte Messinstrumente die arktischen Schmelztümpel passgenau erfassen.

Eines dieser Systeme ist MODIS, das Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer an Bord der US-amerikanischen Terra- und Aqua-Satelliten. Dessen Daten wollen AWI-Meereisphysiker in diesem Sommer nutzen, um das Schmelzen der gesamten arktischen Meereisdecke bis in das kleinste Detail nachzuverfolgen. Dazu dokumentieren sie mithilfe des Satellitensystems, wann wo tatsächlich Meereis vorhanden war, in welchen Bereichen es von Schmelztümpeln bedeckt wurde und wo sich offene Wasserflächen gebildet hatten. Gerit Birnbaums zahllose Hubschrauber-Messflüge über die langsam schmelzende MOSAiC-Eisscholle werden sich am Ende also auf vielfache Weise auszahlen.

Dr. Stefanie Arndt arbeitet als Meereisphysikerin am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven und untersucht seit Jahren die Rolle des Schnees. Ihre Forschung führte sie in der Vergangenheit vor allem in die Antarktis. Für MOSAiC aber reiste die 31-jährige nun auch mal wieder in den Hohen Norden.

Dr. Gerit Birnbaum ist Meteorologin und arbeitet in der Sektion Meereisphysik am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven. Die Rolle von Schmelztümpeln im Zusammenspiel von Meereis und Atmosphäre ist eines ihrer Kern-Forschungsthemen.