Die Eiskerne der MOSAiC-Expedition (2019-2020) sind einer der Schätze, die am Ende der einjährigen Drift durch die Arktis im Oktober 2020 nach Bremerhaven mitgebracht wurden. Nun ist eine Gruppe von Wissenschaftler:innen aus verschiedenen Partnerinstitutionen nach Bremerhaven gekommen, um einen Großteil der Kernproben zu bearbeiten und ihre physikalischen Eigenschaften zu analysieren. Ziel der Forscher:innen ist es, die Wachstumsgeschichte des Meereises und seine internen optischen Eigenschaften besser zu verstehen. Dies wird ihnen helfen, die jahreszeitlichen Veränderungen der Eisbedeckung während ihrer Lebensdauer besser zu verstehen.
Die kleinräumigen Eigenschaften des Meereises verraten viel über seine Geschichte und die atmosphärischen und ozeanografischen Bedingungen, denen das Eis seit seiner Entstehung ausgesetzt war. Diese Art der Analyse von Meereisbohrkernen ist eine klassische Methode der Meereisforschung, um die kleinskaligen Eigenschaften zu bestimmen. Die physikalischen, chemischen und ökologischen Eigenschaften bilden die Grundlage für viele verwandte Analysen. Sie sind auch wegen der Details, die sie über das Meereis selbst preisgeben, von besonderem Interesse.
Während der MOSAiC-Expedition war das Bohren von Eiskernen aus dem Meereis eine der Aktivitäten, die besonders interdisziplinär und breit angelegt waren und dadurch einen besonders hohen Grad an Koordination erforderten. Der "Eiskernmontag" wurde zu einer festen Routine, bei der jede Woche Eisbohrkerne aus zwei verschiedenen Meereistypen entnommen wurden. "Wir brauchten viele Sitzungen, um uns auf Routinen und Parameter für die Eiskernarbeiten zu einigen, da die Anforderungen sehr unterschiedlich waren. Diese Einigung und deren Umsetzung durch die verschiedenen Teams an Bord war einer der größten Erfolge von MOSAiC bereits im Feld", erklärt Marcel Nicolaus (AWI), der für die Meereisarbeiten während MOSAiC verantwortlich war. Vor Ort entnahm das Team jeden Montag 20 bis 50 Eiskerne aus einem sehr kleinen Gebiet und verbrachte damit den ganzen Tag auf dem Eis. Die meisten Eiskerne wurden während der Expedition direkt an Bord des Forschungsschiffes Polarstern geschmolzen und verarbeitet, aber einige Kerne wurden für spätere Analysen und die Archivierung gefroren zurückgebracht. So lagern derzeit mehr als 70 Kisten mit rund 240 Eiskernen im Eiskernarchiv in Bremerhaven und warten auf ihre Auswertung.
Jetzt, im Januar und Februar 2023, begann eine große koordinierte Aktion zur Analyse der Meereistextur und der optischen Eigenschaften. Dazu kamen Meereisexpert:innen der University of Alaska in Fairbanks (UAF), der University of Washington Polar Science Center (UW), der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) und der Universität Hamburg nach Bremerhaven. Sie arbeiten nun gemeinsam in den Laboren des Alfred-Wegener-Instituts (AWI). Diese Arbeit wird auch von Kollegen des Norwegischen Polarinstituts und des Alfred-Wegener-Instituts unterstützt. Für die Eiskernbearbeitung und weitere Experimente werden unterschiedliche Raumtemperaturen benötigt. Deshalb werden drei Labore genutzt: eines mit konstanter Temperatur von -20°C für Meereisdünnschnitte und Eiskernpräparation, ein zweites mit einstellbaren Temperaturen zwischen -1°C und -15°C und eines bei Raumtemperatur (+19°C). Für die einstellbaren Temperaturen wurde der Original-Eislaborcontainer der MOSAiC-Expedition, der normalerweise nur auf See verwendet wird, außerhalb des AWI-Gebäudes aufgestellt.
Zur Beobachtung der Meereistextur (in erster Linie definiert als Eiskristallstruktur und -größe) werden so genannte Dünnschnitte angefertigt. Zu diesem Zweck wird der Eiskern in horizontale Proben von 9 cm Durchmesser oder vertikale Proben von 10 cm Länge zerschnitten. Diese mit einer Bandsäge geschnittenen Proben werden dann auf Glasplatten gefroren und auf einem Schlittenmikrotom geschliffen, bis sie eine Dicke von weniger als 0,5 mm erreichen. Die Dünnschnitte werden dann fotografiert und unter kreuzpolarisiertem Licht analysiert, so dass jeder Kristall in einer anderen Farbe erscheint. Marc Oggier (UAF) erklärt: "Wir planen, in den kommenden vier Wochen zwischen 15 und 20 m Meereisbohrkerne zu bearbeiten, was mehr als 250 Proben ergibt. Neben den wissenschaftlichen Analysen, die Licht auf all die verborgenen Prozesse im Eis werfen, liebe ich die beeindruckenden Fotos von Meereisdünnschnitten, die die Eiskristalle in faszinierenden Farben zeigen."
Die optischen Eigenschaften des Meereises bestimmen, wie das auf das Eis auftreffende Sonnenlicht zurück in die Atmosphäre reflektiert, im Eis absorbiert und in den darunter liegenden Ozean weitergeleitet wird. Während die direkte Messung der Albedo (des reflektierten Anteils) und des Transmissionsgrads ausschließlich auf dem Eis erfolgt, konzentriert sich die Arbeit im Labor auf die dem Meereis selbst innewohnenden Eigenschaften. Für die Analysen werden Eisbohrkerne in 10 cm lange Proben geschnitten, die dann Stück für Stück analysiert werden. Maddie Smith (WHOI) erklärt: "Wir führen die Analysen bei unterschiedlichen Temperaturen durch, da die optischen Eigenschaften des Eises von der Temperatur abhängen. Während wir die Proben für die Lagerung und Langzeitarchivierung bei -20 °C aufbewahren müssen, bringen wir sie für die Labormessungen wieder auf ihre Entnahmetemperatur zurück". Zur Abschätzung der Eigenschaften des Eises, die bestimmen, wie es das Licht teilt, werden die Proben in einem dunklen Zylinder von oben beleuchtet, und die Lichtmenge, die die Probe verlässt, wird mit einem Spektralradiometer gemessen. Mit dieser Technik lassen sich die Gesamtmenge des Lichts, das die Probe durchdringt, sowie die Farbe dieses Lichts beobachten. Die Kenntnis der Farbe kann Aufschluss über die Bestandteile des Eises geben, z. B. über Biomasse und Sedimente. Bonnie Light (UW) fügt hinzu: "Die Meereiskerne der MOSAiC-Expedition bieten die einmalige Gelegenheit, die optischen Eigenschaften von einjährigem und zweijährigem Meereis zu messen, die die gleiche jährliche Wachstumsgeschichte durchlaufen haben. Wir erwarten, dass sich die Lichtdurchlässigkeit zwischen ein- und zweijährigem Meereis aufgrund von Unterschieden in der internen Streuung unterscheidet. Dies hängt wiederum mit ihrer typischen Textur zusammen." Die kombinierten Ergebnisse der Analyse werden verwendet, um Modelle der Meereisoptik und des arktischen Energiehaushalts zu verfeinern.
Nach der Arbeit im Kühllabor in Bremerhaven werden die Forscher:innen die Spektren und Fotos weiter auswerten. Diese Ergebnisse werden mit anderen Messungen von über und unter dem Meereis zusammengeführt. Diese Arbeit wird zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkung zwischen Meereis und Sonnenlicht führen. Vorläufige Ergebnisse der ersten Projektphase werden auf der zweiten MOSAiC-Wissenschaftskonferenz und dem dazugehörigen Workshop in Boulder, Colorado, USA, vorgestellt, der direkt nach den Laborarbeiten am 13. Februar 2023 beginnt.
"Ich bin sehr froh und stolz, dass es uns gelungen ist, diesen Meereiskerndatensatz über das gesamte MOSAiC-Jahr im Feld zu sammeln", sagt Marcel Nicolaus. Er fährt fort: "Es ist eine wahre Freude zu sehen, dass alle Proben in einem hervorragenden Zustand sind und dass wir in der Lage waren, diese gemeinsame Arbeit und die Analysen hier in Bremerhaven zu koordinieren. Wenn ich all diese Kerne sehe, werden viele Erinnerungen an die Feldarbeit und die Zeit in der Arktis wach."
Ansprechpersonen
- Dr. Marcel Nicolaus
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Dr. Mark Oggier (UAF)
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Dr. Maddie Smith (WHOI)
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Dr. Bonnie Light (UW)
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