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Forschungsschiff Polarstern: Eisige Expedition ans Ende der Welt

Erstmals hat ein Forscherteam nahe dem Nordpol überwintert. Die Crew des FS Polarstern erkundete die extremen Temperaturphänomene der Arktis und fand im Winter Leben unterm Eis.
Die Polarstern im arktischen WinterLaden...

Überall Eisbrocken und weit und breit keine geeignete Stelle, um zu landen. Am 6. Februar 2020 kreisten drei Forscher mit einem Hubschrauber über das eisige Meer, etwa 250 Kilometer vom Nordpol entfernt. So weit das Auge reichte, sahen sie nur große Stücke von Meereis, die sich übereinandertürmten. Auf der wabernden Masse zu landen, wäre völlig unmöglich gewesen. Dabei hatte sich noch eine Woche zuvor an genau dieser Stelle eine stabile, ebene Eisfläche erstreckt.

Die Forscher überflogen den Bereich einige Male. Dann entdeckten sie in der Nähe doch noch einen offenbar festen Abschnitt. Der Pilot ließ den Hubschrauber ein paarmal leicht aufsetzen. Das Eis hielt. Die Gruppe stieg aus und begann seine Suche nach der Forschungsstation. Genauer gesagt nach einem Schlitten, auf dem Instrumente für atmosphärische Analysen montiert waren. Monatelang hatten die Geräte Daten über die eisige Umgebung gesammelt. Es waren die ersten Daten überhaupt, die Informationen über die winterlichen Bedingungen nahe dem Nordpol dokumentierten. Denn sicher ist: Die Arktis erwärmt sich schneller als irgendeine andere Region auf der Welt. Und nun gab es viel Grund zur Sorge, dass wertvolle Daten über diesen Flecken Erde verloren waren.

Bei ihrer fieberhaften Suche sprangen die Wissenschaftler über Brocken und Risse im Eis – wohlweislich, dass die Knackgeräusche unter ihren Füßen bedeuteten, dass sich das Eis bewegte. Ein falscher Schritt und sie würden in den Arktischen Ozean einbrechen. Schließlich entdeckten sie den Schlitten. Das Gefährt war umgekippt und teilweise unter Eis begraben. Es folgte eine zweitägige Rettungsaktion. Die Forscher bargen die Station und brachten die Geräte wieder zum Laufen – während sie in der bitterkalten Dunkelheit des arktischen Winters weilten.

»Man merkt, dass man da draußen nicht überleben würde. Es ist dunkel, es ist kalt – es ist eine große Herausforderung«(Giulia Castellani, Alfred-Wegener-Institut)

Solche Einsätze gehören zur Arbeit dutzender Forscher, die sich mit dem Eisbrecher FS Polarstern im arktischen Eis einschließen ließen, um dort den Winter zu verbringen. Die Expedition ist Teil des Projekts MOSAiC, kurz für Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (Multidisziplinäres driftendes Observatorium zur Erforschung des arktischen Klimas). Die Unternehmung begann im Oktober 2019, die Laufzeit beträgt ein Jahr. Das Team unter Leitung des Alfred-Wegener-Instituts (AWI), dem Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven steuerte den Eisbrecher in den Arktischen Ozean nördlich von Sibirien und ließ das Schiff von einer riesigen Eisscholle umschließen. Seitdem treibt es mit der Eisplatte durch die Arktis. An Bord arbeiten abwechselnd Forschergruppen, die per Eisbrecher und Hubschrauber das Schiff erreichen. Im Lauf der Mission sollen fünf verschiedene Teams auf der Polarstern tätig sein, jedes für bis zu drei Monate. Am Ende werden etwa 300 Menschen an Bord gewesen sein.

Die Coronapandemie hat diese Pläne zwar ein wenig durcheinandergebracht – die Ankunft des derzeitigen Trupps hatte sich verzögert, und das Winterteam konnte nicht pünktlich abreisen, da die Länder ihre Grenzen dicht gemacht hatten. Doch schließlich durften die Wissenschaftler heimkehren und brachten eine Fülle von Daten mit.

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Auf dem Weg zum Nordpol | Im Herbst 2019 hatte sich die FS Polarstern auf den Weg in die Arktis gemacht.

Dunkelheit, Erfrierungen und Eisbären

Das Winterteam, das von Mitte Dezember bis Anfang März an Bord war, forschte unter harten Bedingungen: Es war dauerhaft dunkel, es herrschten eiskalte Temperaturen, die innerhalb von Minuten zu Erfrierungen führen können, und zudem lauerten Eisbären. »Man spürt die Kraft der Natur«, sagt Giulia Castellani, Polarwissenschaftlerin am AWI. »Man merkt, dass man da draußen nicht überleben würde. Es ist dunkel, es ist kalt – es ist eine große Herausforderung.«

Doch die Mühen haben sich gelohnt: Die Messungen lieferten erstmals Daten darüber, was in der Atmosphäre, im Meer, dem Ökosystem und im Eis während der dunklen arktischen Monate vor sich geht. Zwar müssen viele Daten noch genauer analysiert werden, doch die ersten Ergebnisse zeigen schon jetzt, dass in der Arktis krasse Temperaturunterschiede vorherrschen. Am Schiffsbug sei die Luft manchmal um fünf Grad Celsius wärmer gewesen als knapp über der Eisoberfläche, berichten die Forscher. In den dunklen Gewässern des Arktischen Ozeans stießen sie zudem auf ein blühendes Ökosystem. Bisher war man davon ausgegangen, dass dort kaum Leben gedeihen kann.

Die Daten sollen in Klimamodelle einfließen, damit sich besser vorhersagen lässt, wie sich die erwärmende Arktis verändern wird. Da bislang für die Nordpolregion kaum Studien vorliegen, vor allem nicht für die Wintermonate, sind diese Informationen besonders wertvoll. Auch weil das arktische Klima Einfluss darauf hat, wie schnell sich der Rest der Erde erwärmen wird – es wirkt sich sogar auf die klimatischen Bedingungen in Städten wie New York City, London und Peking aus. »Der Aufwand, dort zu überwintern, war bemerkenswert«, sagt Vishnu Nandan, Meereisphysiker an der University of Manitoba im kanadischen Winnipeg. »Wir haben wirklich gute Daten gesammelt.«

Die Monate ohne Sonne

Als das zweite Team Mitte Dezember auf einem eigenen Eisbrecher an der Eisscholle eintraf, war die Sonne längst hinter den Horizont gewandert. Es war Tag und Nacht finster. »Am Anfang war es, ehrlich gesagt, ein bisschen unheimlich, weil man nicht weiter als 100 Meter sehen kann«, berichtet Castellani. »Man bekommt keine Vorstellung von der Weite der Umgebung, in der man sich befindet. Da ist nur diese große schwarze Bühne.«

Eisforscher bei der ArbeitLaden...
Eisforscher bei der Arbeit | Zwei Mitglieder des Wissenschaftlerteams treiben eine Öffnung ins Eis.

Doch die Forscher haben der Dunkelheit auch viel Schönes abgewonnen. Etwa als der Atmosphärenforscher Michael Gallagher von der University of Colorado und Taneil Uttal von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) – eine Woche vor der eingangs erwähnten Rettungsaktion – zirka 30 Kilometer nördlich des Schiffs unterwegs waren. Geradezu magisch sei es gewesen, sagen sie. Der Himmel war klar, darüber zog ein sanftes Polarlicht hinweg. »Was mich wirklich umgehauen hat, waren die vielen Sterne um einen herum, die bis an den Horizont reichten«, sagt Uttal. »Es war, als stünde man in einer Schale voller Sterne.«

Mit der Dunkelheit kam auch die Kälte. An manchen Tagen zeigte das Thermometer minus 55 Grad Celsius. Bei solchen Temperaturen kann die blanke Haut binnen weniger Minuten erfrieren. Wenn die Forscher einmal ihre Handschuhe ausziehen mussten, um Kabel anzuschließen oder am Laptop zu arbeiten, dann habe es sich so angefühlt, berichten sie, als würde ihnen jemand Nägel durch die Fingerspitzen treiben. »Wir erinnerten uns ständig gegenseitig daran, uns zu bewegen, um die Durchblutung zu fördern und zumindest zu versuchen, ein wenig warm zu bleiben«, sagt Ian Raphael, ein Student der Geophysik am Dartmouth College in Hannover in New Hampshire.

»Es war, als stünde man in einer Schale voller Sterne«(Taneil Uttal, National Oceanic and Atmospheric Administration)

Kälte und Isolation bargen die größten Risiken für die Besatzung. Wären irgendwelche Probleme aufgetreten, wäre keine rasche Hilfe zur Stelle gewesen. »Die Internationale Raumstation ist Peanuts dagegen«, sagt Geophysiker Christian Haas, Spezialist für Meereis am AWI und Leiter der zweiten Expeditionsetappe – denn im Notfall könnten die Astronauten innerhalb drei Stunden zur Erde zurückkehren. In der Winterphase des Projekts »hätte es viele Tage gedauert, bis uns Flugzeuge oder Schwerlasthubschrauber erreicht hätten, die zudem auf zusätzliche Treibstoffvorräte und gutes Wetter angewiesen gewesen wären«.

Für Haas war es daher besonders wichtig, dass die Stimmung an Bord stimmte. Dafür sollten diverse Freizeitaktivitäten sorgen: Skifahren, Eiswandern, Fußball spielen, am Lagerfeuer sitzen, einen Iglu bauen sowie Weihnachten und Neujahr feiern. Die Forscher campten sogar ein paar Nächte im Freien. Dann hieß es, schnell seinen Tee zu trinken, bevor das Gebräu gefror, und nur sehr vorsichtig in seine Schokolade zu beißen, weil die tief gefrorene Süßigkeit mal eben einen Zahn gelockert hätte. Doch der mit Sternen übersäte Himmel und die Stille belohnten für die Strapazen.

Viel mehr noch: Die mörderischen Bedingungen waren genau das, was die Forscher untersuchen wollten – gerade die bitterkalten Temperaturen. Die sorgen in der Arktis für ein interessantes Phänomen: Im Winter wird die Luft mit steigender Höhe nicht kälter, sondern wärmer. Um diese Umkehr besser zu verstehen, ließen die Wissenschaftler jeden Tag vier Wetterballons steigen, die (neben anderen Faktoren) sekundenweise die Temperatur registrierten. Außerdem bauten sie einen Turm für meteorologische Messungen. Die daran installierten Geräte dokumentierten durchgängig die Temperatur in 2, 6, 10 und 23 Meter Höhe.

Hoch hinausLaden...
Hoch hinaus | Die Forscher errichten einen 30 Meter hohen Turm für meteorologische Messungen.

Das Ergebnis: Die Forscher hatten mehrfach Inversionen von bis zu fünf Grad Celsius in den untersten 10 oder 20 Metern der Atmosphäre detektiert. Jedoch ist immer noch nicht klar, wie oft eine Temperaturumkehr auftritt und wie groß die Differenz ausfallen kann. Genau das wäre aber von großem Interesse. Denn davon hängt ab, wie viel Wärme die Arktis freisetzt und entsprechend das Wetter in anderen Teilen der Erde beeinflusst. Zudem wirken die Inversionen auch vor Ort: Durch sie gefriert die Oberfläche. Alles, was die Arktis ausmacht – das Eis –, geht also auf diesen Prozess zurück.

Im Jahr 2018 entdeckte ein Forscherteam der NOAA, dass das arktische Meereis in den vergangenen 33 Jahren um 95 Prozent zurückgegangen sei. Das heißt, in einem Sommer könnte das Eis in naher Zukunft vollständig verschwinden. Es wäre eine gravierender Einschnitt, der nicht nur die Arktis, sondern auch den Rest der Welt weiter aufheizen würde. Das Eis hält den Planeten kühl, weil es Sonnenlicht reflektiert. Ohne diesen Kühleffekt würde sich die Arktis sehr schnell erwärmen. In der Folge würden die Gletscher Grönlands schmelzen (dadurch stiege der Meeresspiegel) und auch der globale Permafrost (große Mengen an Wärme speichernden Gasen würden dann in die Luft entweichen).

»Die Internationale Raumstation ist Peanuts dagegen«(Christian Haas, Alfred-Wegener-Institut)

Aus diesem Grund wollen die Forscher besser verstehen, wie Atmosphäre und Meer auf das Eis einwirken – warum es sich im Winter bildet und im Sommer schmilzt. Dafür gilt es, das Eis sehr genau zu beobachten. Es verhält sich nämlich mitnichten so, wie man es landläufig erwarten würde. So lautete eines der ersten Ergebnisse am Ende der Winterphase: Das meiste Eis, auf das die Forscher stießen, war etwa anderthalb Meter dick. Und das unabhängig davon, ob das Eis ursprünglich von dicken Platten stammte, die noch vom vorangegangenen Winter übrig waren (mehrjähriges Eis), oder ob es sich im selben Winter gerade aus dünnem Eis neu gebildet hatte. Das heißt, einjähriges Eis legt viel schneller an Masse zu als das dickere, ältere Eis.

Warum dem so ist, wissen die Forscher nicht, aber sie haben einige plausible Erklärungen: Womöglich ist das mehrjährige Eis im Kern wasserdurchlässig. Und erst wenn es im Inneren gefroren ist, wächst es. Oder es wird leichter von Schnee bedeckt, der dann wiederum das Eis vor der Kälte isoliert. Das Meerwasser darunter würde dann nur langsam gefrieren. Tatsächlich haben die Forscher festgestellt, dass mehrjähriges Eis bis zu 68 Zentimeter mit Schnee bedeckt sein kann, das einjährige Eis hingegen nur wenige Zentimeter. Der Grund: Der Schnee bleibt leichter auf älterem Eis liegen und wird von der glatten Oberfläche des neuen Eises eher fortgeweht. Die Forscher gehen momentan davon aus, dass beide Erklärungsmodelle bei der Entstehung von Meereis eine Rolle spielen, aber für eine eindeutige Antwort müssen sie noch ihre Daten auswerten. Damit ließen sich auch die bestehenden Klimamodelle für die Arktis präzisieren.

EiskernbohrungLaden...
Eiskernbohrung | Bei widrigen Wetterbedingungen nehmen zwei Forscher nahe der Polarstern eine Eiskernbohrung vor.

Das winterliche Treiben unterm Eis

Die Wissenschaftler der Winterphase erlebten größtenteils eine relativ ruhige Arktis. Es brachen keine heftigen Stürme über sie herein, die zu Beginn der Expedition häufig das Eis zertrümmerten. Die Forscher verzeichneten auch keine bedrohlichen Begegnungen mit Eisbären. Doch ganz still war es nicht. Robert Campbell, Meeresforscher an der University of Rhode Island in Narragansett, fand zu seiner Überraschung heraus, dass unter dem Eis das Leben tobte: Das marine Ökosystem der Arktis ist äußerst aktiv – sogar mitten in der Polarnacht.

Jahrelang gingen Wissenschaftler davon aus, dass so weit oberhalb des Polarkreises das marine Leben während des Winters ruhte. Denn ohne Sonnenlicht könnten selbst Eisalgen nicht wachsen. Und weil diese Algen die Grundlage der Nahrungskette bilden, dürfte auch die gesamte Arktis im Winterschlaf schlummern. 2015 ergab eine Studie über das südlich gelegene Spitzbergen in Norwegen, dass an dessen Küste das Gegenteil der Fall sei: Selbst in der Dunkelheit gedeiht dort Leben.

Das Meer so weit nördlich inmitten des Polarwinters war bisher Terra incognita für die Wissenschaft. Deshalb warf Campbell seine Netze nahe der Wasseroberfläche aus und fischte Zooplankton heraus – winzige Organismen, die frei im Ozean treiben. Der Meeresbiologe war überrascht, als er Nahrung in deren Eingeweiden fand. Das bedeutete, sie fraßen – was, das weiß Campbell noch nicht. Seine Proben müssen noch an Land geschickt und analysiert werden.

Ein Teil des Zooplanktons vermehrte sich sogar. Campbell sammelte zahlreiche Weibchen. Als diese dann zurück an Bord lebensfähige Eier legten, lief er aufgeregt in die Kantine und rief seinen frühstückenden Kollegen zu: »Ich bin gerade Vater geworden. Ich habe gerade 300 Babys bekommen.« – »Das zu sehen, machte mir einiges klar«, sagt Campbell.

Meeresbewohner im GlasLaden...
Meeresbewohner im Glas | Selbst im Winter gibt es Leben unterm Eis: Eine Forscherin hält eine Probe mit Zooplankton.

Sein Fund dürfte nur ein Vorgeschmack auf das sein, was noch kommt. Jetzt, nachdem wieder Sonnenlicht die Arktis erreicht, werden Eisalgen blühen – und bald wird für alle Tiere wieder ein breite Nahrungspalette zur Verfügung stehen. Die Wissenschaftler der nächsten Projektphase werden das Plankton und die Algen weiter beobachten, um herauszufinden, wie lange die kleinen Lebewesen brauchen sich in der wärmenden Sonne zu vermehren.

Zumindest lautete so der Plan. Ursprünglich sollte das Winterteam die Polarstern vor den ersten Sonnenstrahlen verlassen. Doch weil das Transferschiff das arktische Meereis durchqueren musste, verspätete es sich und das Winterteam erhaschte noch eine schwache Lichtschicht am Horizont. Als das Team dann Ende März auf ihrem Eisbrecher nach Norwegen zurückkehrte, war nicht klar, ob die Forscher an Land gehen durften. Wie in vielen anderen Länder galt eine Ausgangssperre auf Grund der Covid-19-Pandemie. Glücklicherweise machte die norwegische Regierung eine Ausnahme, die Wissenschaftler durften von Bord.

Doch die Pandemie durchkreuzte andere Pläne der Forscher: Weil Norwegen Reisebeschränkungen verhängt hatte, mussten Forschungsflüge zur Polarstern gestrichen werden. Das derzeitige Team (die dritte Crew) war daher nicht mehr erreichbar. Aus diesem Grund entschieden die Expeditionsleiter, das Schiff aus dem Eis zu hieven. Drei Wochen lang wird die Besatzung das Forschungslager hinter sich lassen und nach Spitzbergen fahren. Dort sollen Wissenschaftler zusteigen, andere von Bord gehen. Anschließend wird das Schiff an seinen Platz im Packeis zurückkehren.

Die Sonne kehrt zurückLaden...
Die Sonne kehrt zurück | Am 11. Februar 2020 erblickten die Forscher die so genannte nautische Dämmerung. Das heißt, die Sonne steht in einem Tiefenwinkel von sechs bis zwölf Grad unter dem Horizont.

Während der Fahrt nach Spitzbergen laufen die Datenaufzeichnungen allerdings nicht weiter. Dennoch sind viele Wissenschaftler begeistert, dass das Projekt trotz der Pandemie fortgesetzt wird – mit nur einer kleinen Unterbrechung. »Es ist wirklich erstaunlich, dass wir in der Lage sind, mit dem Experiment weiterzumachen«, sagt Donald Perowitsch, Geophysiker am Dartmouth College und Mitglied des MOSAiC-Projektausschusses. »Und zum Teil ist das nur durch den leidenschaftlichen Einsatz der Teilnehmer möglich.«

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