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Die marine Eisschicht an der Unterseite des Filchner-Ronne-Schelfeises

Überraschenderweise wird das nach Volumen größte Schelfeis der Antarktis nicht nur von Niederschlag aus der Atmosphäre genährt, sondern besteht vermutlich fast zu einem Drittel aus Eis, das sich aus dem Meer von unten angelagert hat.


Der größte Teil des antarktischen Kontinents ist von Schelfeis eingesäumt: Inlandeis, das über den Kontinentalrand abgeflossen ist und auf dem Ozean schwimmt. Die beiden größten Schelfeise der Antarktis sind das Ross-Schelfeis (ungefähr zwischen 150 Grad West und 160 Grad Ost) mit einer Fläche von 526|||000 Quadratkilometern sowie das 473|||000 Quadratkilometer umfassende Filchner-Ronne-Schelfeis (es liegt vor dem Edith-Ronne-Land etwa zwischen 30 und 80 Grad West).

Letzteres bildet die südliche Begrenzung des Weddellmeeres. Es ist etwa um die Hälfte dicker als das Ross-Schelfeis. An der sogenannten Grounding Line verläßt es den Kontinent mit einer Mächtigkeit von mehr als 1400 Metern. Auf dem bis zu 700 Kilometer langen Fließweg zur Schelfeiskante, der wirklichen Küstenlinie, dünnt es dann auf rund 200 Meter aus. In Kantennähe erreicht es Fließgeschwindigkeiten von etwa 1300 Metern pro Jahr.

Die Arbeitsgruppe Glaziologie des Scientific Committee on Antarctic Research (SCAR) hat im Jahre 1983 das internationale Filchner-Ronne Ice Shelf Programme (FRISP) gestartet: ein groß angelegtes Projekt zur Erforschung von Dynamik und Massenhaushalt dieser gewaltigen Eismasse. Zu Beginn konzentrierten sich die deutschen Arbeiten darauf, den jährlichen Schneezutrag an der Oberfläche sowie die Fließbewegung und die innere Deformation des Schelfeises zu bestimmen.

Der mittlere jährliche Zutrag aus dem Niederschlag variiert von der Küste zur Grounding Line zwischen 245 und 130 Kilogramm pro Quadratmeter. Zu- und Abtrag an der Schelfeisunterseite konnten bisher nicht gemessen, sondern lediglich aus Modellrechnungen abgeschätzt werden.

Franz Thyssen von der Universität Münster stellte Mitte der achtziger Jahre fest, daß im zentralen Bereich des Filchner-Ronne-Schelfeises die für solch eine schwimmende Eistafel aus den Mächtigkeitswerten errechenbaren Freibordhöhen nicht mit den tatsächlichen Höhen über dem Meeresspiegel übereinstimmten. Die verwendeten Mächtigkeitswerte basierten auf eigenen Messungen nach dem elektromagnetischen Reflexionsverfahren sowie den Ergebnissen britischer und sowjetischer Kollegen. Thyssen kam zu dem Schluß, daß der als Schelfeisunterseite interpretierte Horizont nur einen internen Reflektor darstelle, in dem sich die elektrischen Eigenschaften des Schelfeises ändern; darunter habe sich möglicherweise salines, aus Meerwasser gebildetes Eis von bis zu 300 Metern Dicke angelagert, das zusätzlichen Auftrieb liefere. Im Jahre 1986 durchbohrte dann ein Team aus seiner Arbeitsgruppe das Schelfeis mit einer schmalen Heißwasserdüse und bestätigte die größere Mächtigkeit.

Erste Untersuchungen an Bohrkernen

Im Jahre 1990 konnten Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven dann mit einer 215 Meter tiefen Kernbohrung an einer 239 Meter dicken Stelle erstmals Material aus diesem bisher unerforschten Eiskörper für Labormessungen gewinnen. Im Südsommer 1992 wurde 170 Kilometer weiter südlich eine zweite, 320 Meter tiefe Bohrung in das dort ungefähr 420 Meter dicke Schelfeis abgeteuft.

In beiden Fällen erreichten meine Kollegen und ich in einer Tiefe von 153 Metern, die der Lage des internen Reflexionshorizontes entspricht, das Ende des meteorischen (aus Niederschlag gebildeten) Eises. Der Übergang zu marinem Eis ist scharf und selbst mit bloßem Auge gut zu erkennen (Bild 1): In dem aus Firn gebildeten Eis sind Luftblasen eingeschlossen, die ihm ein milchiges Aussehen verleihen; das marine Eis hingegen erscheint kristallklar. Bei genauem Hinsehen zeigt sich allerdings, daß in deutlich abgegrenzten horizontalen Lagen kettenförmig feste Partikel – vorwiegend aus koaguliertem, tonigem Material – eingeschlossen sind. Offenbar behindern diese Einschlüsse das Kornwachstum; denn an der Grenze zwischen meteorischem und marinem Eis ändert sich auch die Korngrößenverteilung deutlich (Bild 2).

Um den marinen Ursprung der unteren Eisschicht nachzuweisen, wurden zwei Parameter gemessen: die elektrolytische Leitfähigkeit und der Gehalt des stabilen Sauerstoffisotops 18O. Tatsächlich verändern sich beide Größen im Übergangsbereich sprunghaft (Bild 3). So schnellt die elektrolytische Leitfähigkeit von Werten unter 5 Mikrosiemens pro Zentimeter in der untersten Lage meteorischen Eises auf mehr als das 40fache empor und pendelt sich in größeren Tiefen bei Werten um 40 Mikrosiemens pro Zentimeter ein. Wie Dietmar Wagenbach und seine Mitarbeiter vom Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg bestätigten, rührt der Effekt von Meersalz-Ionen im Eis her. Interessanterweise nimmt nach diesen Messungen nicht nur der Gesamt Ionengehalt mit der Tiefe unter dem Übergangshorizont ab, sondern entfernt sich auch das Konzentrationsverhältnis der einzelnen Ionen zueinander immer stärker von den Verhältnissen im Meerwasser. Dies könnte Hinweise darauf liefern, in welcher Umgebung und wie schnell das Eis jeweils gebildet wurde; denn je stärker das erstarrende Meerwasser mit geschmolzenem Süßwasser verdünnt ist und je langsamer es kristallisiert, desto geringer ist der Salzgehalt des entstehenden Eises.

Da die Salzgehalte geringer als 0,1 Promille sind, kann man trotz allem nicht von salinem oder salzigem Eis sprechen; der Salzgehalt von Meereis beträgt typischerweise 3 bis 10 Promille. Die untere, marine Schicht des Filchner Ronne-Schelfeises hebt sich auch deutlich von dem mehrere Jahrhunderte alten Eis ab, das amerikanische Wissenschaftler vor Jahren unter dem Ross-Schelfeis erbohrt hatten – dessen Salzgehalt lag zwischen 2 und 4 Promille.

Ein –18O-Wert von +2 Promille (gemessen als Abweichung vom internationalen Meerwasserstandard) bezeugt gleichfalls, daß das marine Schelfeis aus Meerwasser ausgefroren ist, das sich geringfügig mit glazialem Schmelzwasser vermischt hatte. Für die unterste Schicht meteorischen Eises dagegen beträgt der –180-Wert –40 Promille. Daraus hat Wolfgang Graf vom GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit in München abgeleitet, wo diese Schicht wohl abgelagert wurde: Der l80-Gehalt des Niederschlags nimmt aus klimatischen wie topographischen Gründen vom Schelfeisrand zum Inneren der Antarktis kontinuierlich ab, und aus dem Vergleich mit den –180-Werten von oberflächennahen Schneeproben aus dem Einzugsgebiet der Bohrung ließ sich folgern, daß die unterste Schicht meteorischen Eises aus Schneeniederschlag im Bereich des Anstiegs vom Schelf- zum Inlandeis stammt.

Dies war ein überraschendes Ergebnis; denn bis dahin hatte man angenommen, daß auch wesentlich älteres, also weiter im Inland abgelagertes Eis bis in die Nähe der Schelfeiskante gelangen würde. Das Fehlen von solchem Eis und das beträchtliche Ausdünnen der Schicht meteorischen Eises auf 153 Meter läßt darauf schließen, daß die Schelfeisunterseite im Bereich der Grounding Line stark abschmilzt.

Eine submarine Eispumpe


Eine plausible Erklärung für dieses Abschmelzen sowie für die Entstehung des marinen Schelfeises überhaupt liefert die Theorie der Eispumpe, die E. L. Lewis und R. G. Perkin vom Institut für Meereswissenschaften in Sidney in der kanadischen Provinz British Columbia 1986 aufgestellt haben. Danach bewirkt die Druckabhängigkeit des Gefrierpunktes von (Meer-)Wasser, daß sich eine tiefreichende thermohaline Konvektionszelle mit walzenförmiger Zirkulation bildet (Bild 4).

An der Grounding Line taucht das hier 1400 Meter mächtige Eis nämlich mehr als 1000 Meter tief ins Meer ein, wodurch sich der Schmelzpunkt von –1,9 auf –2,5 bis –3 Grad Celsius erniedrigt – unter die Temperatur des umgebenden Meerwassers. Dadurch beginnt das Eis abzuschmelzen. Dabei kühlt das Meerwasser ab und vermischt sich mit glazialem Schmelzwasser. Aus beiden Gründen verringert sich seine Dichte (eine Besonderheit von Wasser ist ja, daß es bei etwa 4 Grad über dem Gefrierpunkt am dichtesten ist). Infolgedessen gerät die Wassermasse unter Auftrieb und fließt entlang der ansteigenden Unterseite des schwimmenden Schelfeises zu dessen äußerem Rand hin ab.

Mit abnehmendem Druck erhöht sich jedoch der Gefrierpunkt, so daß ab einer bestimmten Höhe aus der jetzt unterkühlten Wassermasse Eis in Form kleiner Plättchen – auszukristallisieren beginnt. (Solche Eisplättchen waren bei einer früheren Reise des Forschungsschiffes "Polarstern" zufällig mit einem Netz aus 250 Metern Tiefe aufgefischt worden.) Da beim Auskristallisieren Wärme freigesetzt und in das sich bildende Eis nur wenig Salz eingebaut wird, nehmen Temperatur und Salzgehalt der Wassermasse und damit auch ihre Dichte wieder zu, so daß sie absinkt. Dies löst eine Gegenströmung im tieferen Wasserkörper zur Grounding Line hin aus.

Die aufschwimmenden Eisplättchen filtern im Meerwasser suspendierte Partikel aus oder sind vielleicht überhaupt an solchen Teilchen als Kristallisationskeimen entstanden. Sie lagern sich zunächst als eine Art lockerer Matsch an der Schelfeisunterseite an. Durch Kompaktierung der mehrere Dutzend Meter mächtigen Schicht infolge zunehmender Auftriebskräfte und durch fortschreitende Rekristallisation der Eispartikel bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt kann sich dann eine zusammenhängende Eisschicht bilden, aus der das Meerwasser weitestgehend ausgepreßt wurde.

Die eigentliche Eisbildung erfolgt also durch Gefrieren in der freien Wassersäule und nicht an der Schelfeisunterseite. Tatsächlich könnte die Bildung einer mehrere 100 Meter dicken marinen Eisschicht nicht mit Wärmeverlust durch das Schelfeis erklärt werden, da dessen Wärmeleitfähigkeit nur sehr gering ist. Das Wachstum würde sich, wie im Falle des Ross-Schelfeises, auf wenige Zentimeter pro Jahr beschränken.

Die große Bedeutung der Akkumulation von marinem Eis für den Massenhaushalt des Filchner-Ronne-Schelfeises belegen Modellrechnungen, bei denen sich nur dann ein stationärer Zustand ergibt, wenn jährlich etwa 40 Kubikkilometer marinen Eises an der Unterseite angelagert werden. Dies entspricht fast der Hälfte der Niederschlagsmenge von insgesamt etwa 90 Kubikkilometern, die sich einschlägigen Messungen zufolge pro Jahr an der Oberfläche ansammelt.

Um die Wechselwirkungen zwischen Ozean und Schelfeis besser erforschen zu können, muß man mit Bohrungen durch das Schelf einen direkten Zugang zum Meer darunter schaffen, so daß sich Wasserproben entnehmen und Meßgeräte installieren lassen. Damit haben britische Wissenschaftler inzwischen begonnen. Auch von deutscher Seite sind für den nächsten antarktischen Sommer solche Untersuchungen geplant.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1993, Seite 21
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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