Die zwei Pole unsere Erde mögen vielleicht ähnlich aussehen – in Wirklichkeit zeigen sie aber zwei völlig unterschiedliche Entwicklungen. Am Nordpol in der Arktis ist seit den späten 1970er Jahren schon die Hälfte des Sommereises verschwunden, eine stete Abnahme die auch von Klimamodellen angesichts der Erderwärmung vorhergesagt wird. Auf der anderen Seite der Welt dagegen, am Südpol, blieb die Meereisdecke der antarktischen Gewässer seit Jahrzehnten stabil und nahm sogar noch zu mit Rekordwerten in den Jahren 2012, 2013 und 2014. Deshalb waren die Forscher nun äußerst überrascht, als am 1. März 2017 ein historisches Tief der antarktischen Meereisdecke gemeldet wurde. Es war die geringste Ausdehnung seit Beginn der Satellitenbeobachtungen im Jahr 1978, nämlich eine Fläche von etwa zwei Millionen Quadratkilometern, oder anders ausgedrückt 27 Prozent unter dem durchschnittlichen Jahresminimum.

Die Wissenschaftler können diese extremen Unterschiede nur schwer nachvollziehen. Warum unterscheiden sich die regionalen und saisonalen Veränderungen des antarktischen Meereises so sehr vom steten, aber gleichmäßigen Rückgang im größten Teil der Arktis? Wieso konnte sich in Antarktika das Meereis überhaupt bis jetzt so ausgeprägt halten? Ist der diesjährige Rückgang in der Antarktis nur ein kurzer Einschnitt oder der Beginn einer langfristigen Entwicklung? Vielleicht verändert sich die Meereisdecke überhaupt viel stärker als bisher angenommen? Wieso berechnen selbst anerkannte Klimamodelle entgegen gängigen Messungen stets eine Abnahme des arktischen Meereises und nicht eine Zunahme? Werden in den Modellen etwa entscheidende Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozean und Meereis nicht beachtet, und in welchem Maß hat der Mensch Einfluss darauf? All das sind extrem wichtige Fragen.

Die Vorgänge in der Antarktis beeinflussen unseren gesamten Planeten. So spielt der südliche Ozean beispielsweise eine Schlüsselrolle bei der globalen Meereszirkulation: Eine gefrorene Meeresoberfläche verändert den Austausch von Wärme und Gasen einschließlich Kohlendioxid zwischen dem Meer und der Atmosphäre. Meereis reflektiert Sonnenlicht und beeinflusst die Wettersysteme, es wirkt auf die Bildung von Wolken und verändert die Niederschlagsmuster. Diese wiederum haben Einfluss auf die Masse der antarktischen Eisschicht und auf ihren Beitrag zum Anstieg des Meeresspiegels. Meereis ist außerdem wichtig für die marinen Ökosysteme und eine Vielzahl von Organismen wie Krill, Pinguine, Seehunde und Wale sind von seiner jahreszeitlichen Zu- und Abnahme abhängig.

Komplexe Wechselwirkungen zwischen Meereis und Atmosphäre

Die Forscher wollen deshalb unbedingt die Entwicklung des antarktischen Meereises verstehen, besonders in jenen Regionen, wo sich seine Ausdehnung und Dicke verändert. Dafür müssen sie jede Menge Daten und Berechnungen über die Triebkräfte der Bewegung des Eises (Drift und Deformation), seines Wachstums und der Schmelzvorgänge (Thermodynamik) zusammenbringen. Solche Daten unterstützen die Klimamodelle, die komplexe Wechselwirkungen zwischen Meereis und Atmosphäre, Ozean und Eisschicht in Zukunft besser darstellen sollen. Hierzu bedarf es allerdings gebündelter und koordinierter internationaler Bemühungen quer über all jene wissenschaftlichen Disziplinen hinweg, die das globale Klima und die polaren Regionen beobachten und Modelle erarbeiten.

Antaktikas schwindendes Meereis von seinem Höhepunkt im August 2016 bis zum aktuellen Tief im März 2017.
© NASA's Goddard SpaceFlight Center
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Antaktikas schwindendes Meereis von seinem Höhepunkt im August 2016 bis zum aktuellen Tief im März 2017.

Satelliten liefern die besten Daten zur räumlichen Ausdehnung des Meereises um Antarktika. Regelmäßige Beobachtungen zeigen, wie sich die Eisschicht über Tage, Jahre und Jahrzehnte hinweg verändert. Nicht nur Stürme mit starken Winden, sondern auch sonst hat das Wetter täglich und saisonal einen großen Einfluss. Langzeitveränderungen werden durch größere Temperatur- und Zirkulationsmuster der Atmosphäre wie auch der Meere angetrieben. Regelmäßige Satellitenbeobachtungen gibt es erst seit etwa 40 Jahren. Doch nur mit weiter zurückreichenden Daten ließen sich die Veränderungen im Meereis mit Entwicklungen des Klimas in Zusammenhang bringen. Eintragungen in Schiffslogbüchern, Walfangunterlagen und Daten der Küstenstationen, frühe Satellitenbilder und chemische Eiskernanalysen legen nahe, dass die Fläche des Meereisschilds in den 1940er bis 1960er Jahren bis zu 25 Prozent größer war als heute.

Könnten mehr Eiskerne gesammelt und weitere historische Aufzeichnungen ausgewertet werden, ließen sich vielleicht lokale Entwicklungen aufzeigen und klimatische Faktoren bestimmen, die jene antarktischen Meereisänderungen verursachen. So wurde dieses Jahr der stärkste Rückgang des Eises südlich des Ostpazifiks festgestellt. Diese Region wird beispielsweise stark durch das Klima der Tropen beeinflusst, einschließlich der El-Niño-Südströmung. Die Forscher nehmen deshalb an, dass Meereis stark auf weit entfernte Bedingungen reagiert.

Ungenauigkeit von 50 bis 100 Prozent

Eine weitere Frage ist, wie sich das Gleichgewicht zwischen Dynamik und Thermodynamik auf das Wachsen und Zurückweichen des Eises auswirkt. So hängen beispielsweise Schichtdicke und Volumen des Eises von vielen Faktoren ab, wie dem Wärmefluss vom Meer in die Atmosphäre und in das Eis. Außerdem beeinflusst das Meereis den Salzgehalt der Ozeane: Gefriert das Meer, gelangt Salz ins Wasser; schmilzt das Eis, kehrt frisches Wasser wieder in den Ozean zurück. Diese Prozesse lassen sich nicht präzise, sondern nur mit einer Ungenauigkeit von 50 bis 100 Prozent bestimmen, und vor allem nur schwer mit Modellen simulieren.

Die Forscher arbeiten auch mit so genannten Satellitenaltimetern, die Entfernungen zwischen der Oberfläche des Meereises und dem Ozean genau messen können. Diese Entfernungsdaten können die Wissenschaftler dann zur Berechnung der Eisschichtdicke nutzen. Allerdings ist die Interpretation der Daten schwierig, besonders wenn unklar ist, wie viel Schnee auf dem Eis liegt, wie groß seine Schichtdicke ist und ob das Gewicht des Schnees die Eisoberfläche unter Wasser drückt (was oft der Fall ist). Kalibrierende und bestätigende Satellitendaten sowie die Entwicklung von Algorithmen sind äußerst wichtig, um die Daten und Informationen der verschiedenen Quellen in Zusammenhang zu bringen und auszuwerten.

Dafür müssen auch regelmäßig und über größere Gebiete hinweg Proben von Eis, Meerwasser und Luft untersucht werden, um ihre Wechselwirkungen festzustellen. Forschungsfahrten auf Eisbrechern, wie die diesjährige US PIPERS Mission (Polynyas, Ice Production and seasonal Evolution in the Ross Sea Mission), sind für Beobachtungen vor Ort unerlässlich, selbst wenn sie lediglich entlang eng gesteckter Routen führen und in der Regel nur ein bis drei Monate dauern. Ganzjährig lassen sich inzwischen immer mehr Daten mit autonomen Instrumenten und Vehikeln sammeln – unter Wasser, auf dem Eis, in der Luft und auch in unzugänglichen oder gefährlichen Regionen. Diese Robotersysteme geben ganz neue Einblicke in die Entstehung, die Evolution, die Schichtdicke und das Abschmelzen des Meereises. Sensoren, die auf Meeressäugern wie Seeelefanten, Schwimmern oder Gleitern angebracht sind, senden ebenfalls Daten über Temperatur, Salzgehalt und andere physikalische oder biogeochemische Parameter. Diese Geräte müssen allerdings sehr robust sein, um der rauen antarktischen Umgebung standzuhalten und längerfristig einsetzbar zu sein.

Kleinste Fehler verursachen große Ungenauigkeiten im Modell

Die bisherigen Klimamodelle können die saisonale und regionale Variabilität des antarktischen Eises allerdings nicht darstellen. Bei den meisten Modellen treten sogar schon bei einfachen Parametern systematische Fehler (Biase) auf, sei es bei dem jährlichen Zyklus von Wachstum und Rückgang des Eises oder der Wärmezufuhr vom Ozean in das Eis. Mit den vorhandenen Modellen gelingt auch nicht einmal die genaue Simulation großer Veränderungen, wie der Einfluss der Tropen auf regionale Winde. Nachdem Eis und Klima stark voneinander abhängen, multiplizieren sich schon kleinste Fehler innerhalb der Modellberechnungen sehr deutlich.

Eisbedeckung der Antarktis im März 2017
© NASA Earth Observatory, Joshua Stevens
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Die Karte zeigt die vom Eis bedeckte Fläche der Antarktis im März 2017. Zum Vergleich zeigt die gelbe Linie den Median der Eisfläche über die letzten Jahrzehnte.

Genauer modelliert werden müsste auch der Gürtel starker Westwinde um Antarktika herum, wie auch die Amundsen Sea Low, eine stürmische Region südwestlich der antarktischen Peninsula. Die vorhandenen Modelle zeichnen ein sehr unterschiedliches Bild davon, ob die ständigen Westwinde das Meereisschild der Antarktika eher fördern oder schrumpfen lassen. Auch die Simulation der Wolken und Niederschläge ist unzureichend. So lassen sich derzeit keine genauen Schneefallmengen oder Temperaturen der Meeresoberfläche des südlichen Ozeans berechnen, wobei die Temperaturen in den Modellberechnungen häufig überschätzt werden.

Neben all diesen Parametern müssen Klimamodelle auch die Durchmischung des Wassers durch Oberflächenwinde und den Einfluss der Wellen auf Entstehung und Aufbrechen des Meereises einschließen. Niederschlag und Schmelzwasser der Eisschichten und Eisberge beeinflussen die vertikale Struktur des Ozeans und nicht zuletzt die Art und Weise der Wärmespeicherung im Meer, was wiederum auf die Zu- und Abnahme des Meereises einwirkt. Ganz allgemein müssten neue Modelle der Atmosphäre-Ozean-Meereis-Umgebung mit sehr hoher räumlicher Auflösung entwickelt werden.

Interdisziplinarität gegen Wissenslücken

Um die aktuellen Entwicklungen in Antarktika zu erklären und seine Zukunft angesichts der Veränderungen des Weltklimas vorherzusagen, müssen fachübergreifende Projekte ins Leben gerufen werden. Dabei müssten Forschungsgruppen zusammenarbeiten, die an so unterschiedlichen Themen wie Eiskernen, historischen Daten und Klimamodellen interessiert sind. Mit all diesen Daten zusammengenommen ließen sich die Schwankungen des Meereises über einen längeren Zeitraum verfolgen, als es die vorhandenen Satellitenaufnahmen möglich machen.

Dabei könnte so manche Wissenslücke mit Hilfe länderfinanzierter Forschung geschlossen werden; weiter reichende, interdisziplinäre Arbeiten müssten aber durch internationale Kooperationen unterstützt werden. Diesen Weg verfolgen inzwischen auch schon einige Organisationen wie das Scientific Committee on Antarctic Research, das Scientific Committee on Oceanic Research, das World Climate Research Programme’s Climate and Cryosphere Project und das Past Global Changes Project. Trotzdem bleibt noch viel zu tun, von präziseren Modellvergleichen und Bewertungen, häufigeren Forschungsreisen bis zu den für die Beobachtung des Meereises so wichtigen Satellitenbeobachtungen. Essenziell dabei wäre die Zusammenarbeit der Organisationen mit verschiedenen Fördereinrichtungen.

Die Ansätze zur Modellierung und Simulation der Veränderungen des Meereises waren bisher eher auf die Arktis auf der nördlichen Halbkugel fokussiert – in Zukunft sollten sich die Forscher mehr auf die Darstellung des Ozeans am Südpol und seinem Meereis konzentrieren. Solche Modelle werden bei der nächsten Begutachtung durch das Intergovernmental Panel on Climate Change in den Jahren 2020/2021 ausschlaggebend sein. Ein gutes Beispiel für Kooperationsprojekte ist der Great Antarctic Climate Hack. Hier werden verschiedene Gruppen mit Interesse am antarktischen Klima zusammengebracht, um die Leistungsfähigkeit der bisherigen und zukünftigen Modelle zu bewerten.

Der Text ist unter dem Titel "Solve Antarctica’s sea-ice puzzle" am 19. Juli 2017 in "Nature" (547, 275–277, doi: 10.1038/547275a) erschienen.