Positive Rückkopplung: Wenn im arktischen Meereis größere offenen Stellen aufreißen, fördert dies die Bildung wasserreicher Wolken. Diese Wolken wiederum wirken wie eine Wärmedecke, die das Wiederzufrieren bremsen und die Arktis zusätzlich aufheizen – ein Teufelskreis. Diese Rückkopplung haben Forscher entdeckt, als sie das Wettergeschehen rund um eine häufiger aufreißende Eislücke – eine sogenannte Polynia – vor Grönland untersucht haben.
Das arktische Meereis schrumpft nicht nur seit Jahrzehnten – es gilt auch als ein Kippelement im Klimasystem. Ab einem bestimmten Punkt könnte sein Abschmelzen nahezu irreversibel sein. Das hätte nicht nur lokale Folgen, sondern würde das gesamte Klimasystem der Erde beeinflussen. Erschwerend für die Prognosen kommt hinzu, dass die Entwicklung des Meereises von zahlreichen positiven – sich selbst verstärkenden – Rückkopplungen geprägt wird.
Riesen-Eisloch zwischen Kanada und Grönland
Eine weitere Rückkopplung dieser Art haben nun Emily Monroe vom Langley Research Center der NASA und ihre Kollegen aufgedeckt. Für ihre Studie hatten sie die Begleitumstände der sogenannten Nordwasser-Polynia untersucht, einem großen Loch im Meereis, das im Winter häufiger in der nördlichen Baffin Bay zwischen Kanada und Grönland aufreißt. Die Polynia entsteht meist dann, wenn der Meereis-Nachschub durch eine Eisbarriere abgeschnitten wird und dann Wind das bestehende Eis auseinandertreibt.
Das Team wollte wissen, wie diese im Schnitt 17.000 Quadratkilometer große offene Stelle im Meereis das lokale Klima und insbesondere die Wolkenbildung beeinflusst. Dafür werteten sie neben Wetterdaten vor allem LIDAR-Daten der Satelliten CALIPSO und CloudSat aus. „Durch sie konnten wir fast in Echtzeit Satelliten-Scans des Gebiet rund um die Polynia erhalten“, erklärt Monroe. „Dadurch können wir sehr genau ermitteln, welchen Effekt der Wechsel von Meereis zu offenem Wasser auf die darüberliegenden Wolken hat.“
Mehr Wolken und Feuchtigkeit über offenem Wasser
Die Auswertungen enthüllten: Wenn die Polynia aufreißt und wächst, kommt der im Vergleich zum Eis wärmere Ozean in direkten Kontakt mit der Atmosphäre. Dies führt dazu, dass vermehrt Wasserdampf und Wärme aufsteigen. Als Folge bilden sich über der Polynia und in ihrem unmittelbaren Umfeld vermehrt Wolken: „Der Wolkenanteil ist um bis zu 30 Prozent höher, der Wasseranteil in diesen Wolken ist zudem um 50 bis 350 Prozent erhöht“, berichten Monroe und ihr Team.
Dass offene Wasserstellen im Meereis auf diese Weise mehr Wärme und Wasser in die polare Atmosphäre bringen, wurde schon länger vermutet. Die aktuellen Messungen bestätigen dies nun und liefern erste Zahlen dazu, wie hoch dieser vertikale Transport vom Meer in die Luft ist. „Unsere Ergebnisse bestätigen, dass Polynias dadurch Bedingungen schaffen, die eine Wolkenbildung begünstigen“, schreiben die Forschenden.
Wärmeeffekt bremst Eisbildung
Das jedoch hat Folgen: Die über dem offenen Wasser entstehenden Wolken legen sich wie eine Wärmedecke über die Region und heizen ihrerseits die Eis- und Meeroberfläche weiter auf. Den Messungen zufolge nimmt die Energiezufuhr durch langwellige Wärmestrahlung über dem offenen Wasser im Schnitt um 18 Watt pro Quadratmeter zu. Dies erschwert die Neubildung von Meereis und das Wiederzufrieren der Polynia, wie die Wissenschaftler beobachteten. „Die vermehrte Wärme trägt dazu bei, dass die Wasseroberfläche in der Polynia ein wenig wärmer bleibt, und verlängert so die Phase des offenen Wassers“, erklärt Monroes Kollege Patrick Taylor.
Hinzu kommt, dass das unter der Wolkendecke neu gebildete Meereis weniger haltbar ist: „Die Erwärmung und vermehrte Feuchtigkeit der Atmosphäre verlangsamt das vertikale Eiswachstum“, sagt Koautorin Linette Boisvert vom Goddard Space Flight Center der NASA. Als Folge bleibt dieses im Winter gebildete Meereis dünner und ist im darauffolgenden Sommer anfälliger für das Abtauen.
Positive Rückkopplung
Potenziell bedeutsam für das arktische Klima ist auch, wie lange dieser Polynia-Effekt nachwirkt: „Nur weil das Meereis sich wieder neu bildet und die Polynia sich schließt, bedeutet dies noch nicht, dass sich alle Bedingungen wieder normalisieren“, sagt Boisvert. „Obwohl die Quelle der Wärme und Feuchtigkeit dann wegfällt, hält der Wärmeeffekt der zusätzlichen Wolken noch einige Zeit an, nachdem die Polynia wieder zugefroren ist.“
Nach Ansicht des Forschungsteams unterstreichen diese Ergebnisse, wie eng Meereis und Atmosphäre miteinander verknüpft sind – und wie positive Rückkopplungen die Eis- und Klimaentwicklung prägen. „Unsere Beobachtungen deuten darauf hin, dass ein ausgedehnter Rückgang des Meereises zu einer zunehmenden Wolkenbedeckung führen kann. Das wiederum verursacht eine positive Rückkopplung, bei der substanzielle, lokale Wärmeeffekte das Wiederzufrieren bremsen“, schreiben Monroe und ihre Kollegen. (JGS Atmospheres, 2021; doi: 10.1029/2020JD034409)
Quelle: NASA
