Viele haben schon Bilder der arktischen Eislandschaft in der Sonne oder im Mondschein während der dunklen Wintermonate nördlich des Polarkreises gesehen. Aber haben Sie sich schon einmal gefragt, wie es unter der Eislandschaft aussieht? Wissenschaftler*innen aus der ganzen Welt haben sich der großen Driftexpedition MOSAiC angeschlossen, um ein Jahr lang autonome Geräte einzusetzen oder manuell Messungen in der Arktis durchzuführen (siehe Driftstrecke in Abbildung 1). In Abbildung 2 können Sie einige ihrer Geräte sehen und einen Blick auf ihre Arbeit werfen. Das Team aus mehr als 50 Wissenschaftler*innen untersuchte, wie warm oder kalt der Ozean unter dem Meereis war, wie isoliert die unteren Teile der Wassersäule vom Meereis und der Atmosphäre sind und wie sich Strömungen im Ozean bewegen.
Sie untersuchten die Auswirkungen einer schnellen oder langsamem Eisdrift, die von wechselnden Winden in der Nähe der Oberfläche beeinflusst wird und eine turbulente Vermischung des Meerwassers verursacht. Mit manuell gewonnenen Profilen in der Nähe von FS Polarstern und autonomen Instrumenten in einem Umkreis von 50 km um das Schiff wurde die Struktur von Wirbeln mit einem Durchmesser von nur wenigen Kilometern, sogenannten „Eddies“, untersucht. Im Winter beobachteten sie die Veränderungen in der Wasserschicht direkt unter dem Eis, wobei die Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt lagen. Im Sommer untersuchten sie flache Schmelzwasserlinsen, die sich nach dem Öffnen von Spalten im Meereis bilden.
Aber warum taten sie das alles? Der Arktische Ozean wird weniger beobachtet als viele andere Meeresregionen der Welt. Ein Grund dafür ist unter anderem die Schwierigkeit, den eisbedeckten Teil des Arktischen Ozeans zu erreichen, insbesondere im Winter; andere Ursachen sind das Fehlen regionaler Satellitenbeobachtungen des Ozeans. Diese existieren, wenn überhaupt, nur an wenigen offenen Stellen im Meereis. Selbst autonome Messgeräte müssen an diese raue Umgebung angepasst werden. Dennoch erlebt die Arktis den stärksten Klimawandel der Welt und erwärmt sich bis zu dreimal so schnell wie das globale Mittel. Das sehen wir nicht nur in der Atmosphäre und im Meereis, sondern auch im Ozean.
Ein erster Überblick
Eine Zusammenfassung der Arbeit des Teams für physikalische Ozeanographie, „Team OCEAN“, wurde kürzlich in der Zeitschrift Elementa veröffentlicht (Rabe et al., 2022). Wie für die gesamte MOSAiC-Expedition war der OCEAN-Teil wahrscheinlich die umfassendste Reihe physikalischer ozeanographischer Messungen, die jemals auf und um eine treibende Eisscholle im eisbedeckten Arktischen Ozean durchgeführt wurden (Abbildungen 1 und 2). Das Beobachtungsprogramm des Team OCEAN zielte darauf ab, einmal wöchentlich den Grundzustand des Ozeans, also z. B. Temperatur und Salzgehalt, über die gesamte Wassersäule und täglich von der oberen Wassersäule bis hinunter ins warme Atlantikwasser zu messen. „Es war eine Herausforderung, da wir höchstens fünf Personen gleichzeitig an Bord waren, um diese vielen Messungen durchzuführen. Dazu gehörten Löcher ins Eis zu bohren, durch die der Profiler auch mitten im Winter abgesenkt werden konnte, aber auch weit weg vom Schiff installierte Messgeräte zu warten und viele Wasserproben zu sammeln“, fasst Benjamin Rabe, Co-Fahrtleiter von Leg 2 und Co-Leiter des Teams OCEAN die Arbeit während der Expedition zusammen.
Geschwindigkeit und Vermischung
Während MOSAiC haben wir außerdem die horizontale Geschwindigkeit im Ozean in den oberen 500 m der Wassersäule gemessen. Idealerweise würden wir die Geschwindigkeit bis zum Meeresboden messen, aber die zur Verfügung stehende Ausrüstung erlaubte uns das nicht. Die Messungen bestätigten den Eindruck eines im Allgemeinen ruhigen Arktischen Ozeans mit einer horizontalen Geschwindigkeit von normalerweise unter 5 cm/s. Zum Vergleich kann der Golfstrom in der Nähe der Meeresoberfläche fast 2 m/s erreichen und verlangsamt sich auf circa 40 cm/s, wenn er sich nach Norden bewegt. Wir haben jedoch beobachtet, dass sich diese Geschwindigkeiten in Teilen des Eurasischen Beckens nördlich der Framstraße und im Spätsommer auch in der zentralen Arktis beschleunigten (Abbildung 1), wahrscheinlich aufgrund einer lockereren Eisbedeckung in diesen Regionen und zu diesen Zeiten. Diese vielen Beobachtungen werden derzeit analysiert. Dabei geht es darum die Rolle interner Wellen für die Durchmischung, verstärkte Wind- und Eisbewegungen und die Auswirkungen der verringerten Schichtung und der Gezeiten nördlich von Svalbard im Nansen-Becken, in der Nähe des Einstromgebiets des warmen Atlantikwassers, sowie die Variabilität dieser Prozesse zu untersuchen.
Es ist wichtig, diese Prozesse besser zu verstehen, da sie eine wichtige Rolle bei der abnehmenden arktischen Meereisbedeckung und den Veränderungen in der Dynamik des oberen Arktischen Ozeans spielen. Dazu zählen nicht nur die Physik, sondern auch wichtige Prozesse wie den Gasaustausch zwischen Ozean und der Atmosphäre oder das Ökosystem beeinflussen können.
Temperatur, Salzgehalt und Zirkulation
Beobachtungen von Temperatur und Salzgehalt können uns einen Hinweis auf verschiedene Wassermassen geben, die ihren Ursprung innerhalb und außerhalb der Arktis haben. Die vertikalen Profile der oberen 200 m des Ozeans entlang der Driftstrecke (sogenannte „Schnitte“) von Oktober 2019 bis Juni 2020 (Abbildung 3; x-Achse ist die Zeit, y-Achse ist die Tiefe) zeigen uns, wie nah die obere Mischungsschicht des Ozeans (dunkelgrauer Bereich in Abbildung 3) an der darunterliegenden Schicht, der unteren Halokline, zu Beginn der Drift nördlich der Laptewsee war.
Diese darunter liegende Schicht (hellgrau in Abbildung 3) markiert einen starken Salzgradienten, der als „untere Halokline“ bezeichnet wird. Diese Halokline wirkt als Barriere zwischen dem warmen Atlantikwasser (wärmer als 0 °C, schwarzer Bereich in Abbildung 3) und der Mischungsschicht unter dem Eis, die die Verbindung zwischen der Ozeanoberfläche und dem Ozeaninneren darstellt. Vereinfacht gesagt haben wir die „Atlantifizierung“ der Arktis, also den Austausch der Halokline durch Atlantikwasser live miterlebt, als wir vor Ort waren. „Diese Atlantifizierung hat Einfluss darauf, wie tief sich der obere Ozean durchmischt und damit, wie viel Wärmegehalt und Nährstoffe an die Oberfläche gelangen“, ergänzt Benjamin Rabe.
Die Zirkulation der verschiedenen in Abbildung 3 gezeigten Wasserschichten kann ferner aus der beobachteten Temperatur und dem Salzgehalt entlang der Drift beschrieben werden. Dies geschieht auch in Bezug auf historische Beobachtungen bis hin zu Vergleichen mit der ersten wissenschaftlichen Drift in der Arktis durch Nansen in den Jahren 1893-1896. Weiterhin kann die Zirkulation auch mit Ergebnissen aus Proben abgeleitet werden, in denen gelöste Gase bestimmt werden und die als Tracer für verschiedene Wasserschichten dienen, …aber das ist eine Geschichte für eine andere Veröffentlichung (mehrere sind tatsächlich in Vorbereitung).
Sommerschmelze
Während des Frühsommers zeigen kleinräumige Messungen des Salzgehalts mit einem mobilen Instrument, das an einer Angelrute montiert ist, eine flache Schmelzwasserlinse nahe der Oberfläche, die nur wenige Meter dick ist (Abbildung 4). Eine solche Linse ist entscheidend, um die Meereisschmelze zu verstehen und zu modellieren, da sie das Eis vorübergehend vom Ozean darunter isoliert. Diese Linse verschwand schnell, nachdem ein Sturm vorbeigezogen war. Dieses kleinräumige, kurzlebige Phänomen wurde schon früher vermutet, aber wir gehörten wahrscheinlich zu den ersten, die seine Entwicklung live untersuchten (und filmten!). „Das war so ein fantastischer Zufall! Wir hatten von Anfang an geplant, die Auswirkungen der Eisöffnung auf den Ozean zu untersuchen, aber wir hatten nicht damit gerechnet, so viel Glück zu haben und diese dünne Schmelzwasserschicht so leicht zu sehen“, fügte Céline Heuzé, die zweite Co-Leiterin des Teams OCEAN hinzu.
Zusammenfassung und Ausblick
Die Messungen des Teams OCEAN wurden mit mehreren anderen Teams koordiniert, die das Meereis und den Schnee beobachteten, die Atmosphäre, die biogeochemischen Prozesse und das Ökosystem. Dieser multidisziplinäre „Erdsystem“-Ansatz ist notwendig, wenn wir alle beteiligten Prozesse vollständig verstehen wollen, da sie alle miteinander verbunden sind. Die weitere Abstimmung mit Satellitenmessungen und numerischer Modellierung erlaubt es uns nun, unsere Beobachtungen umfassender zu analysieren. „Daher wird uns unsere laufende und zukünftige Untersuchung der MOSAiC-Messungen helfen, den Arktischen Ozean im regionalen und globalen Klimasystem besser zu verstehen und numerische Modelle zu verbessern, die Veränderungen in der Arktis und darüber hinaus vorhersagen“, schließt Céline Heuzé, die immer noch beeindruckt ist von der großen Gruppenleistung und den fantastisches Ergebnissen.
Artikel
Rabe, B, Heuzé, C, Regnery, J, Aksenov, Y, Allerholt, J, Athanase, M, Bai, Y, Basque, C, Bauch, D, Baumann, TM, Chen, D, Cole, ST, Craw, L, Davies, A, Damm, E, Dethloff, K, Divine, DV, Doglioni, F, Ebert, F, Fang, Y-C, Fer, I, Fong, AA, Gradinger, R, Granskog, MA, Graupner, R, Haas, C, He, H, He, Y, Hoppmann, M, Janout, M, Kadko, D, Kanzow, T, Karam, S, Kawaguchi, Y, Koenig, Z, Kong, B, Krishfield, RA, Krumpen, T, Kuhlmey, D, Kuznetsov, I, Lan, M, Laukert, G. Lei, R, Li, T, Torres-Valde ́s, S, Lin, L, Lin, L, Liu, H, Liu, N, Loose, B, Ma, X, MacKay, R, Mallet, M, Mallett, RDC, Maslowski, W, Mertens, C, Mohrholz, V, Muilwijk, M, Nicolaus, M, O’Brien, JK, Perovich, D, Ren, J, Rex, M, Ribeiro, N, Rinke, A, Schaffer, J, Schuffenhauer, I, Schulz, K, Shupe, MD, Shaw, W, Sokolov, V, Sommerfeld, A, Spreen, G, Stanton, T, Stephens, M, Su, J, Sukhikh, N, Sundfjord, A, Thomisch, K, Tippenhauer, S, Toole, JM, Vredenborg, M, Walter, M, Wang, H, Wang, L, Wang, Y, Wendisch, M, Zhao, J, Zhou, M, Zhu, J. 2022. Overview of the MOSAiC expedition: Physical oceanography. Elementa: Science of the Anthropocene 10(1). DOI: doi.org/10.1525/elementa.2021.00062 .
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- Benjamin Rabe (AWI)
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