Von Louis SADDIER, Doktorand in Klimaphysik, ENS de Lyon; Brivaël COLLIN, Doktorand in Strömungsmechanik, ENS de Lyon, und Louis-Alexandre COUSTON, Lehrer und Forscher in Strömungsmechanik und polarer Ozeanographie, ENS de Lyon.
Auf unseren auf bewohnten Breiten zentrierten Planisphären bemerken wir nicht, inwieweit die Antarktis und die südlichen Meere von zentraler Bedeutung sind … für die Ozeanzirkulation und damit für die Anpassung des Erdsystems an den Klimawandel. Und doch könnten sie Schauplatz irreversibler Veränderungen sein, der berühmten klimatischen „Tipping Points“.
Während sich unsere Treibhausgasemissionen in der Atmosphäre ansammeln und die Durchschnittstemperaturen unseres Planeten ansteigen lassen, schmilzt das Polareis und fließt mit hoher Geschwindigkeit in die Ozeane. Dadurch beschleunigt sich der Anstieg des Wasserspiegels: Lag er zwischen 1901 und 1971 bei 1,3 Millimetern pro Jahr, wurden zwischen 2006 und 2018 3,7 Millimeter pro Jahr gemessen. Allerdings könnten die Wasserstandsprognosen aufgrund physikalischer Phänomene unterschätzt werden Verstärkung der Eisschmelze.
Die Antarktis ist ein Kontinent, der von riesigen Gletschern bedeckt ist, die unter dem Einfluss ihres eigenen Gewichts in Richtung Meer rutschen. Wenn sie das Meer erreichen, strömen sie weiter und schwimmen dann auf der Wasseroberfläche: Man nennt sie Schelfeise. Große Wasserflächen (bis zur Größe Frankreichs) sind von diesen dicken Eisschichten bedeckt und bilden subglaziale Meere. Letztere stehen jedoch im Verdacht, sich plötzlich erwärmen zu können und so die Plattformen zu schwächen, die den Gletscherfluss begrenzen.
Die Auswirkungen des Abschmelzens dieser Plattformen auf den Anstieg des Wasserspiegels wären natürlich erheblich, da es den Gletscher stromaufwärts auf dem Felsen destabilisieren würde, aber es muss auch betont werden, dass die massive Freisetzung von Schmelzwasser in den Südpolarmeer zu Störungen führen könnte die globale Zirkulation des Ozeans und wirken sich bis in den nördlichen Atlantik aus.
Tatsächlich ist der Südliche Ozean aufgrund seiner zentralen Lage ein wichtiger Teil des Klimasystems. Es besteht aus einer Reihe kontinentaler Meere, die an die Küsten der Antarktis grenzen, sowie dem antarktischen Zirkumpolarstrom, der durch starke Westwinde zwischen den 60 und 60°C angetrieben wirde et 80e Parallelen der südlichen Hemisphäre. Diese Strömung steuert den Aufstieg warmen Tiefenwassers aus dem Atlantischen, Pazifik und Indischen Tropenmeer in Richtung Antarktis und bringt es in die kontinentalen Meere, wo das Eis schmilzt.
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Die Empfindlichkeit des schmelzenden Eises gegenüber der Temperatur subglazialer Meere
In der Antarktis ist das Abschmelzen der Eisschelfs hauptsächlich auf die von subglazialen Meeren übertragene Wärme zurückzuführen. Auch die Temperatur des Wassers unter dem Eis ist entscheidend für die Abschätzung der Schmelzgeschwindigkeit. Genauer gesagt kommt es auf den Unterschied zwischen der Erstarrungstemperatur des Meerwassers (ungefähr -2°C, weil es salzig ist) und der Temperatur des subglazialen Meeres an.
So verdoppelt sich bei Meerwasser, das sich von -1°C auf 0°C erwärmt, die Differenz am Erstarrungspunkt, was erhebliche Folgen für das Schmelzen hat.
Zwei Arten von Wassermassen können in subglaziale Hohlräume eindringen. Erstens tiefe warme Gewässer tropischen Ursprungs, deren Temperaturen im Allgemeinen zwischen -1°C und 2°C liegen. Zweitens kaltes Oberflächenwasser, das in Kontakt mit der kalten Polaratmosphäre steht und Temperaturen zwischen -2 °C und -1 °C aufweist. Das Eindringen von warmem Wasser in subglaziale Hohlräume würde dazu führen, dass die Eisschelfs dünner werden und dann verschwinden. Die kontinentalen Gletscher, die sie zurückhalten, wie der Korken einer liegenden Flasche den Wein, könnten dann schnell in die Polargewässer fließen.
Allerdings ist das Eindringen von warmem Wasser in subglaziale Meere nicht unbedingt tödlich. In der Westantarktis gelingt es diesem dichten Wasser, den tiefen Teil des Schelfeises zu erreichen und zu schmelzen, was die Gletscher zum Rückzug zwingt. Doch in der Ostantarktis wird dieser Versuch oft durch die Bildung von Eisschollen aufgrund kalter Winde an der Oberfläche vereitelt. Tatsächlich verwandelt sich beim Gefrieren von Meerwasser nur das Wasser in Eis und hinterlässt große Mengen Salz an der Oberfläche. Dadurch wird dieses kalte Oberflächenwasser immer dichter und sinkt auf den Meeresboden, ersetzt warme Wassermassen und verringert das Abschmelzen unter den Eisschelfsmassen erheblich.
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Die globale Erwärmung könnte zu einer irreversiblen Verschiebung führen, indem sie verhindert, dass kaltes Oberflächenwasser fließt
Kürzlich deuten wissenschaftliche Studien darauf hin, dass der Klimawandel den Übergang von kalten zu warmen Bedingungen begünstigen könnte. Tatsächlich könnte eine Änderung der Winde oder ein Anstieg der Lufttemperatur die Bildung von Eisschollen und damit die Bildung von dichtem, sinkendem Wasser verringern.
Ein solcher Übergang wäre möglicherweise bereits auf der Dotson-Plattform im Gange, wo die Beobachtung von Schwankungen der Meerestemperaturen und des Salzgehalts das Zeichen eines Regimewechsels sein könnte. In der Ostantarktis zeigen numerische Simulationen, dass sich die Filchner-Ronne-Höhle bei -1 °C mit Wasser füllen könnte, statt wie derzeit bei -2 °C. Ein Übergang zu warmen Bedingungen würde das Verschwinden dieser Plattform, die 10 % des Eisvolumens in der Antarktis zurückhält, beschleunigen und den Meeresspiegel wahrscheinlich um mehr als 5 Meter erhöhen.
Eine der mit dieser Art von Übergang verbundenen Befürchtungen ist die Nichtumkehrbarkeit des Prozesses. Wenn heißes Wasser in den Hohlraum eindringt, führt das zunehmende Schmelzen der Plattform zur Bildung von weniger dichtem Süßwasser, das an der Oberfläche landet und das heiße Wasser in der Tiefe nicht ersetzen kann. Wir stehen vor einem sogenannten klimatischen Wendepunkt: Ab einer bestimmten Schwelle der Klimaveränderung können sich diese Gletscherhöhlen plötzlich und unwiderruflich mit warmem Wasser füllen.
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Turbulenzen bestimmen die Vermischung von heißem und kaltem Wasser, sind aber noch kaum verstanden
Derzeit sind diese Regimewechsel weiterhin ungewiss. Tatsächlich beschreiben globale Klimamodelle die Physik der Vermischung von Schmelzwasser mit Meerwasser nur unzureichend. Diese Vermischung erfolgt durch die ungeordnete und chaotische Bewegung von Wasser im kleinen Maßstab, die als Turbulenz bezeichnet wird. Es ist jedoch diese Mischung, die den Ursprung dieses Walzers zwischen Oberflächengewässern und Tiefengewässern darstellt. Insbesondere sind es die Turbulenzen, die das Grundschmelzen der Plattform bestimmen, die den Oberflächengewässern kaltes Wasser mit niedrigem Salzgehalt zuführt, und dann die Intensität des Absinkens dieser mit Salz beladenen Oberflächengewässer durch die Schwerkraft.
Um die Geschwindigkeit des Grundschmelzens von Eisschelfs vorherzusagen, muss man wissen, ob das kalte Schmelzwasser mit dem Eis in Kontakt bleibt, um eine isolierende Schicht zu bilden, oder ob es im Gegenteil beim Schmelzen evakuiert wird und wärmerem Meerwasser Platz macht. Und es hängt von vielen Parametern ab: Salzgehalt, Temperatur, Meeresturbulenzen und der Geometrie der Plattform.
Betrachten Sie das Beispiel eines flachen Schelfeises, das auf einer ruhenden Masse warmen Salzwassers schwimmt. Das heiße Wasser überträgt seine Wärme durch Diffusion an das Eis, das zu schmelzen beginnt. Da das Schmelzwasser weicher ist, ist es weniger dicht und bleibt zwischen der von der Plattform gebildeten Decke und dem salzigen Ozean eingeschlossen. Hier erfüllt es wirkungsvoll seine Aufgabe, das Schmelzen zu hemmen. Wenn wir jedoch eine ausreichend starke Meeresströmung hinzufügen, wird die Vermischung der beiden Wassermassen durch Turbulenzen aktiviert und diese Schutzschicht verschwindet. Wenn das Schelfeis nicht mehr flach, sondern geneigt ist, beginnt das Schmelzwasser aufgrund seiner Leichtigkeit am Hang aufzusteigen und setzt das Eis wieder direkt der Hitze des Eismeeres aus.
Tauchen in dichtem (Salz-)Wasser ist ebenfalls schwer vorherzusagen, da Turbulenzen in beide Richtungen wirken können. Einerseits kann die vertikale Durchmischung dazu führen, dass die oberflächliche Kaltwasserschicht nach unten gezogen wird. Andererseits könnte eine seitliche Vermischung – immer durch Turbulenzen – von Oberflächengewässern mit weniger dichtem Wasser vor der Küste diese leichter machen und ihr tiefes Eintauchen verhindern.
Drei Ansätze zum Verständnis des Schmelzens unter dem Schelfeis
Einige Studien konzentrieren sich auf das Sammeln von Felddaten, die Durchführung von Massenbilanzen mithilfe von Satellitenbeobachtungen oder die Erkundung von Salzgehalt, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit vor Ort unter Eisschelfs. Diese Expeditionen sind teuer und bieten Zugang zu verstreuten Informationen, sind jedoch für das Verständnis der Realität vor Ort in der Antarktis unerlässlich.
Im Physiklabor der ENS Lyon versuchen wir, diese Beobachtungen zu reproduzieren und zu vervollständigen, indem wir hochauflösende numerische Simulationen durchführen und dann eine Vorhersage über das Verhalten der Plattformen und der damit verbundenen Strömungen liefern. Einige Phänomene sind jedoch immer noch zu numerisch aufwendig, um sie zu lösen. Aus diesem Grund entwickeln wir auch physikalische Experimente in der kontrollierten Umgebung des Labors, um diese Phänomene zu isolieren und zu untersuchen.
Die Originalversion dieses Artikels wurde veröffentlicht in Das Gespräch.
