Eine neue angewandte mathematische Theorie könnte unser Verständnis über die Auswirkungen des Meereises auf das globale Klima verbessern und möglicherweise die Genauigkeit von Klimavorhersagen steigern.
Die Autoren eines neuen Papiers veröffentlicht im Proceedings of the Royal Society A: Mathematische und physikalische Wissenschaftenbieten neue Einblicke in die Wärmebewegung durch Meereis, ein entscheidender Faktor bei der Regulierung des polaren Klimas der Erde.
Dr. Noa Kraitzman, Dozentin für Angewandte Mathematik an der Macquarie University und Hauptautorin der Studie, meint, die Forschung befasse sich mit einer entscheidenden Lücke in der aktuellen Klimamodellierung.
„Meereis bedeckt in der kältesten Jahreszeit etwa 15 Prozent der Meeresoberfläche, wenn es seinen größten Anteil hat“, sagt Dr. Kraitzman. „Es ist eine dünne Schicht, die Atmosphäre und Ozean trennt und für den Wärmeaustausch zwischen beiden verantwortlich ist.“
Meereis wirkt wie eine isolierende Decke auf dem Ozean, reflektiert Sonnenlicht und reguliert den Wärmeaustausch. Angesichts steigender globaler Temperaturen wird das Verständnis des Verhaltens von Meereis für die Vorhersage des Klimawandels immer wichtiger.
Die Studie konzentriert sich auf die Wärmeleitfähigkeit von Meereis, einem wichtigen Parameter, der in vielen globalen Klimamodellen verwendet wird. Die Bewegung von flüssiger Salzlösung im Meereis, die möglicherweise den Wärmetransport erhöhen kann, wurde in früheren Modellen nicht berücksichtigt.
Dr. Kraitzman sagt, dass es aufgrund der einzigartigen Struktur des Meereises und seiner empfindlichen Abhängigkeit von Temperatur und Salzgehalt schwierig sei, seine Eigenschaften, insbesondere seine Wärmeleitfähigkeit, zu messen und vorherzusagen.
„Wenn man Meereis im kleinen Maßstab betrachtet, ist seine komplexe Struktur interessant, da es aus Eis, Luftblasen und Salzwassereinschlüssen besteht.
„Da die Atmosphäre über dem Ozean extrem kalt wird, unter minus 30 Grad Celsius, während das Ozeanwasser bei etwa minus zwei Grad bleibt, entsteht ein großer Temperaturunterschied und das Wasser gefriert von oben nach unten.
„Wenn das Wasser schnell gefriert, drückt es das Salz heraus, wodurch eine Eismatrix aus rein gefrorenem Wasser entsteht, die Luftblasen und Einschlüsse von sehr salzigem Wasser, sogenannte Salzlaugeeinschlüsse, einschließt und von nahezu reinem Eis umgeben ist.“
Diese dichten Salzlakeeinschlüsse sind schwerer als das Süßwasser des Meerwassers, was zu einer Konvektionsströmung im Eis führt und große „Kamine“ bildet, aus denen flüssiges Salz austritt.
Die Forschung baut auf früheren Feldarbeiten von Trodahl aus dem Jahr 1999 auf, die erstmals darauf hinwiesen, dass Flüssigkeitsströmungen im Meereis dessen Wärmeleitfähigkeit erhöhen könnten. Dr. Kraitzmans Team hat nun einen mathematischen Beweis für dieses Phänomen geliefert.
„Unsere Berechnungen zeigen definitiv, dass eine solche Verstärkung zu erwarten ist, sobald die konvektive Strömung innerhalb des Meereises beginnt“, sagt Dr. Kraitzman.
Das Modell bietet außerdem eine Möglichkeit, die thermischen Eigenschaften des Meereises mit seiner Temperatur und seinem Salzgehalt in Beziehung zu setzen, sodass theoretische Ergebnisse mit Messungen verglichen werden können.
Konkret handelt es sich dabei um ein Werkzeug für groß angelegte Klimamodelle, das möglicherweise zu genaueren Vorhersagen der zukünftigen Bedingungen in den Polarregionen führt.
Das Meereis in der Arktis ist in den letzten Jahrzehnten rapide zurückgegangen. Dieser Eisverlust kann zu einer Rückkopplungsschleife führen: Je mehr dunkles Meerwasser freiliegt, desto mehr Sonnenlicht absorbiert es, was zu weiterer Erwärmung und Eisverlust führt.
Der Verlust von Meereis kann Wettermuster, Meeresströmungen und Meeresökosysteme weit über die Polarregionen hinaus beeinträchtigen.
Dr. Kraitzman sagt, dass das Verständnis der Wärmeleitfähigkeit von Meereis wichtig sei, um dessen Zukunft vorherzusagen.
Die Forscher weisen darauf hin, dass ihr Modell zwar einen theoretischen Rahmen bietet, jedoch weitere experimentelle Arbeiten erforderlich sind, um diese Erkenntnisse in groß angelegte Klimamodelle zu integrieren.
Die Studie wurde von Mathematikern der Macquarie University in Australien, der University of Utah und des Dartmouth College, New Hampshire in den USA durchgeführt.
Weitere Informationen:
Homogenisierung für konvektionsverstärkten Wärmetransport im Meereis, Proceedings of the Royal Society A: Mathematische und physikalische Wissenschaften (2024). DOI: 10.1098/rspa.2023.0747. royalsocietypublishing.org/doi … .1098/rspa.2023.0747