Eine der rauesten und dynamischsten Regionen der Erde ist die marginale Eiszone– der Ort, an dem Meereswellen auf Meereis treffen, das durch Gefrieren der Meeresoberfläche entsteht.
Heute erschienen, eine Themenausgabe der Zeitschrift Philosophische Transaktionen der Royal Society A befasst sich mit den schnellen Fortschritten, die Forscher in den letzten zehn Jahren beim Verständnis und der Modellierung dieses herausfordernden Umfelds erzielt haben.
Diese Forschung ist für uns von entscheidender Bedeutung, um die komplexen Wechselwirkungen der Klimasysteme der Erde besser zu verstehen. Denn die marginale Eiszone spielt eine Rolle beim saisonalen Einfrieren und Auftauen der Ozeane.
Ein rauer Ort zum Lernen
In der Arktis und Antarktis liegen die Oberflächentemperaturen der Ozeane dauerhaft darunter -2℃– kalt genug, um zu gefrieren und eine Meereisschicht zu bilden.
In den höchsten Breiten, näher an den Polen, bildet Meereis einen festen, mehrere Meter dicken Deckel auf dem Ozean, der die Sonnenstrahlen reflektiert, die Region kühlt und kühles Wasser um die Ozeane treibt. Das macht Meereis zu einer Schlüsselkomponente des Klimasystems.
Aber in niedrigeren Breiten, wenn der eisbedeckte Ozean in den offenen Ozean übergeht, bildet Meereis kleinere, viel mobilere Brocken, sogenannte „Schollen“, die durch Wasser oder eine Aufschlämmung von Eiskristallen getrennt sind.
Drohnenaufnahmen aus Kanada zeigen Wellen, die von einem Schiff erzeugt werden, das kontinuierliches Eis in Schollen aufbricht.
Diese marginale Eiszone interagiert mit der Atmosphäre darüber und dem Ozean darunter auf ganz andere Weise als die Eisbedeckung näher an den Polen.
Es ist ein herausforderndes Arbeitsumfeld für Wissenschaftler, wie eine Reise in die marginale Eiszone um die Antarktis im Jahr 2017 erlebt hat Windgeschwindigkeiten über 90 km/h und Wellen über 6,5 m hoch. Es ist auch schwierig, aus der Ferne zu beobachten, da die Schollen kleiner sind als das, was die meisten Satelliten sehen können.
Von Wellen zermalmt
Die marginale Eiszone interagiert auch mit dem offenen Ozean über Oberflächenwellen, die von den offenen Gewässern in die Zone wandern und auf das Eis einwirken. Die Wellen können eine zerstörerische Wirkung auf die Eisdecke haben, indem sie große Schollen aufbrechen und sie im Sommer anfälliger für Schmelzen machen.
Im Winter dagegen können Wellen die Bildung von „Pfannkuchen“-Schollen fördern, die so genannt werden, weil sie dünne Meereisscheiben sind (Sie können sie im Bild oben sehen).
Aber die Wellenenergie selbst geht bei Wechselwirkungen mit Schollen verloren, sodass die Wellen allmählich schwächer werden, wenn sie tiefer in die Randeiszone vordringen. Dies erzeugt Wellen-Eis-Rückkopplungsmechanismen, die die Meereisentwicklung in einem sich ändernden Klima antreiben.
Zum Beispiel wird ein Trend zu wärmeren Temperaturen die Eisdecke schwächen, wodurch Wellen tiefer in eisbedeckte Ozeane eindringen und mehr Aufbrechen verursachen können, was die Eisdecke weiter schwächt – und so weiter.
Wissenschaftler, die die Dynamik von Randeiszonen untersuchen, zielen darauf ab, unser Verständnis der Rolle der Zone bei den dramatischen und oft verwirrenden Veränderungen zu verbessern, denen das Meereis der Welt als Reaktion auf den Klimawandel unterliegt.
Zum Beispiel ist die Meereisbedeckung im Arktischen Ozean „seit den 1980er Jahren um etwa die Hälfte zurückgegangen“. In der Antarktis hatte die Meereisbedeckung kürzlich sowohl eine ihrer größten als auch eine ihrer kleinsten aufgezeichneten Ausdehnungen, wobei die marginale Eiszone eine Quelle der jährlichen Variabilität ist.
Unser Fortschritt beim besseren Verständnis dieser rauen Regionen dreht sich um große internationale Forschungsprogramme, die vom United States Office of Naval Research und anderen durchgeführt werden. An diesen Programmen sind Geowissenschaftler, Geophysiker, Ozeanographen, Ingenieure und sogar angewandte Mathematiker (wie wir) beteiligt.
Jüngste Bemühungen haben zu innovativen Beobachtungstechniken geführt, wie z. B. einer Methode zur 3D-Darstellung der Wellen- und Schollendynamik in der marginalen Eiszone an Bord eines Eisbrechers und zur Erfassung von Wellen im Eis aus Satellitenbildern.
Sie haben auch zu neuen Modellen geführt, die in der Lage sind, die Wechselwirkung von Wellen und Eis aus der Ebene von zu simulieren einzelne Schollen zum Gesamtverhalten von ganze Ozeane. Die Fortschritte haben zu einem mehrmonatigen Experiment unter australischer Leitung in der antarktischen Randeiszone mit dem neuen 500-Millionen-Dollar-Eisbrecher geführt RSV Nuyinadie nächstes Jahr erwartet wird.
Die marginale Eiszone wird in Zukunft ein immer wichtigerer Bestandteil der weltweiten Meereisbedeckung sein, da die Temperaturen steigen und die Wellen extremer werden.
Trotz der schnellen Fortschritte ist es noch ein weiter Weg, bis das Verständnis der Rückkopplungsprozesse in der marginalen Eiszone in verbesserte Klimavorhersagen übersetzt wird, die beispielsweise vom International Panel on Climate Change Assessment Reports verwendet werden.
Die Einbeziehung der marginalen Eiszone in Klimamodelle wurde von einer seiner führenden Persönlichkeiten als „heiliger Gral“ für das Gebiet beschrieben, und das Thema weist auf engere Verbindungen mit der breiteren Klimagemeinschaft als nächste große Richtung für das Gebiet hin.
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