Ein neu entdeckter Mechanismus für das Fließen und Gefrieren von Schmelzwasser der Eisschichten könnte die Schätzungen zum weltweiten Anstieg des Meeresspiegels verbessern.
Forscher der University of Texas in Austin haben in Zusammenarbeit mit dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA und dem Geological Survey of Denmark and Greenland (GEUS) einen neuen Mechanismus entdeckt, der die Bildung undurchlässiger horizontaler Eisschichten unter der Oberfläche erklärt. Dieser Vorgang ist von entscheidender Bedeutung für die Bestimmung des Beitrags des Schmelzwassers der Eisschichten zum Anstieg des Meeresspiegels.
Die Arbeit von Mohammad Afzal Shadab, einem Doktoranden am Oden Institute for Computational Engineering and Sciences der UT, wurde veröffentlicht In Geophysikalische Forschungsbriefe. Shadab wurde von den Co-Autoren der Studie Marc Hesse und Cyril Grima an der Jackson School of Geosciences der UT betreut.
Die beiden größten Süßwasserreservoirs der Welt, die Eisflächen Grönlands und der Antarktis, sind mit altem Schnee, dem sogenannten Firn, bedeckt, der noch nicht zu festem Eis verdichtet ist. Da der Firn porös ist, kann geschmolzener Schnee in den Firn abfließen und erneut gefrieren, anstatt ins Meer zu fließen. Dieser Prozess verringert vermutlich den Schmelzwasserabfluss um etwa die Hälfte.
Es sei allerdings auch möglich, dass sich undurchlässige Eisschichten bildeten, die als Barrieren für Schmelzwasser dienten und Schmelzwasser ins Meer umleiteten, sagte Shadab.
„Es gibt also Fälle, in denen diese Eisschichten im Firn die Geschwindigkeit des Schmelzwassers beschleunigen, das in die Ozeane fließt“, sagte er.
Da Gletscherschmelzwasser in Firn gefrieren oder von vorhandenen Eisbarrieren abfließen kann, ist das Verständnis der Gefrierdynamik innerhalb der Firnschicht ein wichtiger Faktor bei der Abschätzung des Anstiegs des Meeresspiegels, so die Forscher.
Frühere Arbeiten über Firn in Bergen, der ebenfalls Eisschichten enthält, ergaben, dass diese Eisschichten entstehen, wenn sich Regenwasser auf älteren Schichten im Firn sammelt und dann wieder gefriert. Laut Hesse funktionierte dies bei Eisschichten jedoch nicht.
„Als wir uns die Daten aus Grönland ansahen, war die tatsächliche Menge an Schmelzwasser, die selbst bei einem extremen Schmelzereignis produziert wird, nicht groß genug, um Eistümpel zu bilden“, sagte Hesse. „Und hier hat diese Studie einen neuen Mechanismus für die Bildung von Eisschichten aufgedeckt.“
Diese neue Forschung stellt die Bildung einer Eisschicht als einen Wettbewerb zwischen zwei Prozessen dar: wärmeres Schmelzwasser, das durch den porösen Firn fließt (Advektion), und kaltes Eis, das das Wasser durch Wärmeleitung an Ort und Stelle gefrieren lässt. Die Tiefe, in der die Wärmeleitung die Wärmeadvektion zu dominieren beginnt, bestimmt den Ort, an dem sich eine neue Eisschicht bildet.
„Da wir nun die physikalischen Grundlagen der Entstehung dieser Eisschichten kennen, können wir die Fähigkeit des Firns, Schmelzwasser zu speichern, besser vorhersagen“, sagte der Co-Autor der Studie, Surendra Adhikari, ein Geophysiker am JPL.
Anja Rutishauser, eine ehemalige Postdoktorandin der UT, die jetzt bei GEUS tätig ist, war ebenfalls Co-Autorin der Studie.
Um diesen neuen Mechanismus zu bestätigen, verglichen die Forscher ihre Modelle mit einem Datensatz aus dem Jahr 2016. Zu diesem Zweck gruben Wissenschaftler ein Loch in den Firn Grönlands und statteten es mit Thermometern und Radar aus, die die Bewegung des Schmelzwassers messen konnten. Während frühere hydrologische Modelle von den Messungen abwichen, spiegelte der neue Mechanismus die Beobachtungen erfolgreich wider.
Ein unerwartetes Ergebnis der neuen Arbeit war, dass die Lage der Eisschichten als Aufzeichnung der thermischen Bedingungen dienen könnte, unter denen sie sich bildeten.
„Im Erwärmungsszenario haben wir festgestellt, dass sich die Eisschichten zeitlich von oben nach unten immer tiefer in den Firn hinein bilden“, sagte Shadab. „Und unter kälteren Bedingungen bilden sich die Eisschichten in einem Bottom-up-Szenario näher an der Oberfläche.“
Heute fließt aus Grönland mehr Wasser ins Meer als aus der Antarktis: etwa 270 Milliarden Tonnen pro Jahr, aus der Antarktis dagegen nur 140 Milliarden Tonnen. Zusammen entspricht das mehr als zweieinhalb Tonnen Wasser pro Jahr, die der Lake Tahoe jährlich aufnehmen kann. Doch die Prognosen, wie stark die beiden Eisschichten zum Anstieg des Meeresspiegels beitragen werden, sind sehr unterschiedlich und schwanken bis 2100 zwischen 5 und 55 Zentimetern. Und es ist klar, dass die Eisschichten eine wichtige – und bislang kaum verstandene – Rolle spielen.
„Die Dinge sind in Wirklichkeit viel komplexer als das, was bestehende Modelle erfassen“, sagte Adhikari. „Wenn wir unsere Vorhersagen wirklich verbessern wollen, müssen wir hier den Stand der Technik wirklich vorantreiben.“
Weitere Informationen:
Mohammad Afzal Shadab et al, Ein Mechanismus zur Bildung von Eisschichten in Gletscherfirn, Geophysikalische Forschungsbriefe (2024). DOI: 10.1029/2024GL109893