Landfestes Meereis: Das wichtigste Eis, von dem Sie noch nie gehört haben

Die Ausdehnung des antarktischen Meereises ist im Laufe des Jahres 2023 stark zurückgegangen, und sein rascher Verlust überrascht Wissenschaftler auf der ganzen Welt. Mittlerweile wird auf die Bedeutung des landfesten Meereises (Festeis) aufmerksam gemacht, das an und um die antarktische Küste „eingeschnürt“ ist, wie ein Sicherheitsgurt um den Kontinent.

Festeis erlebt einen eigenen Rückgang, wie in einer aktuellen Studie in Reviews of Geophysics hervorgehoben wird, was angesichts der Vielzahl der damit verbundenen Prozesse im Erdsystem eine schlechte Nachricht ist. Wir haben einige der Autoren gebeten, einen Überblick über landfestes Eis zu geben, wie Wissenschaftler es untersuchen und was noch unbekannt ist.

Einfach ausgedrückt: Was ist landfestes Eis und wo kommt es vor?

Landfestes Eis, auch verwirrenderweise als „Schnelleis“ abgekürzt (obwohl es sich nicht bewegt!), ist Meereis, das sich aus gefrorenem Meerwasser gebildet hat, sich aber im Gegensatz zu Packeis nicht als Reaktion auf Strömungen und Winde bewegt. Festeis kann entweder an der Küste selbst befestigt sein oder, üblicherweise, an Eisbergen, die auf dem relativ flachen antarktischen Festlandsockel in Tiefen von bis zu etwa 400 Metern auf Grund laufen. Im Allgemeinen bildet es einen diskontinuierlichen Gürtel um die antarktische Küste mit einer Breite von 50 bis 200 Kilometern. Seine Fläche schwankt im Allgemeinen zwischen etwa 221.000 und 601.000 km2, sodass es einen erheblichen Anteil des gesamten Meereises ausmacht (etwa 3 bis 19 Millionen km2).

Warum ist es wichtig, Festeis im Unterschied zu anderen Meereisformen zu verstehen?

Festeis hat im Vergleich zu Packeis eine Vielzahl deutlich unterschiedlicher Rollen in den physikalischen, biogeochemischen und ökologischen Systemen. Festeis zum Beispiel aufgrund seiner Immobilität:

Was wissen wir über die Entstehung, Entwicklung und den Zerfall von Festeis?

Wir verfügen nun über einen satellitengestützten Datensatz aus 18 Jahren kontinuierlicher Beobachtung der großräumigen antarktischen Festeisausdehnung (2000 bis 2018). Aus diesem Datensatz können wir den Zeitpunkt der schnellen Eisbildung, das Maximum, den Zerfall und das Minimum bestimmen. Allerdings erfolgt die Unterscheidung zwischen Packeis und Festeis immer noch größtenteils manuell, was bedeutet, dass ein Forscher viel Zeit in Anspruch nehmen muss, um das Festeis zu „kartieren“, wodurch die Objektivität der Karten verringert wird.

Auf lokaler Ebene verfügen wir über Zeitreihenmessungen der Bildung und des Zerfalls von Festeis von Eismassenausgleichsstationen an einer begrenzten Anzahl von Standorten auf dem Kontinent – ​​diese sind jedoch tendenziell in „glattem“ Festeis zu finden, d. h. in Regionen mit „rauem“ Eis „Festeis (das sich bildet, wenn sich Packeis aufgrund von auflandigen Winden festigt) ist kaum erforscht. Insgesamt sind Festeisbeobachtungen diskontinuierlich, spärlich und unzureichend beschrieben.

Warum konzentrierten sich die meisten Forschungsarbeiten bisher auf Festeis in der Arktis und nicht auf Antarktis?

Eine Reihe von Faktoren sind zusammengekommen, um uns ein viel besseres Verständnis des arktischen Festeises zu ermöglichen, darunter:

Welche unterschiedlichen Techniken wurden im letzten Jahrhundert zur Beobachtung und Messung des antarktischen Festeises eingesetzt?

Die frühesten Berichte über antarktisches Festeis stammen aus dem heroischen Zeitalter der Entdeckungen. Wright und Priestly (1922) kartierten das Festeis, das auf der Terra-Nova-Expedition (1910-1913) vorgefunden wurde, genau und äußerten sich zu den Unterschieden zwischen „glattem“ und „rauem“ Festeis. Heutzutage wird Festeis sowohl vor Ort als auch aus der Ferne (sowohl von Flugzeugen als auch von weltraumgestützten Instrumenten) gemessen.

Zu den In-situ-Messungen gehören Beobachtungen der Eismassenbilanz, um die Art und Weise des Festeiswachstums zu bestimmen, sowie Bohrkerne, die zur Messung der Struktur und chemischen Zusammensetzung von Festeis entnommen werden. Zu den Fernmessungen gehören satellitengestützte Kartierungen sowie Messungen seiner Mächtigkeit unter Verwendung altimetrischer und anderer Techniken. Kürzlich wurde eine bodengestützte Radarinterferometrie zur Überwachung der Dynamik von schnellem Eis entwickelt und für die arktische Küste Alaskas eingesetzt, in der Antarktis wurde sie jedoch noch nicht eingesetzt.

Wie hat die Fernerkundung bessere Daten und neue Erkenntnisse über die Verteilung, Saisonalität und Dicke von Festeis geliefert?

Studien zur Verteilung von Festeis wären aufgrund seines enormen Ausmaßes ohne Satellitenfernerkundung nicht möglich. Bisher stammte der vollständigste großräumige Datensatz der Antarktis-Festeisausdehnung aus sichtbaren/thermischen Infrarot-Satellitenbildern, diese Bilder sind jedoch stark von Wolken beeinflusst und erfordern eine manuelle Interpretation für die Festeiskartierung.

In jüngerer Zeit wurden SAR-Bilder (Satellitenradar mit synthetischer Apertur) für die schnelle Eiskartierung an beiden Polen verwendet. SAR-Bilder werden nicht durch Wolken oder Dunkelheit beeinflusst und eignen sich daher besonders für diese Aufgabe. Während wir uns auf die automatisierte Kartierung von schnellem Eis anhand von SAR-Bildern zubewegen, können wir uns auf höher aufgelöste, genauere und zeitnahere Karten von schnellem Eis freuen. Die Dicke von Festeis aus der Ferne zu bestimmen, ist immer noch eine große Herausforderung.

Innovative Forscher haben kürzlich auf elektromagnetischer Induktion basierende Techniken verwendet, um die Dicke von schnellem Eis von einem tief fliegenden Flugzeug aus zu messen, das an einem elektromagnetischen Induktionsgerät hängt und nur 15 Meter über der Oberfläche fliegt. Diese Technik ist jedoch aus dem Weltraum nicht möglich.

Wie wird sich das Festeis in der Antarktis voraussichtlich bis zum Ende des 21. Jahrhunderts verändern?

Die kurze Antwort ist, dass wir es nicht wirklich wissen. Dies liegt daran, dass Klimamodelle noch kein Festeis simulieren. Es besteht die Hoffnung, dass Festeis in den nächsten Jahren in viele weitere Modelle einbezogen wird, was uns die Möglichkeit gibt, die Ausdehnung und Dicke von Festeis in die Zukunft zu projizieren. Bis dahin können wir uns die bis zum Jahr 2100 prognostizierten Veränderungen im Ozean und in der Atmosphäre ansehen und raten, was mit Festeis passieren könnte. Auf dieser Grundlage gehen wir davon aus, dass Festeis an Ausmaß, Dicke und Dauer abnehmen wird, können dies jedoch nicht quantifizieren.

Was sind einige der ungelösten Fragen, bei denen zusätzliche Forschung, Daten oder Modellierung erforderlich sind?

Abgesehen von In-situ-Messungen, die sehr begrenzt sind, verfügen wir nur über sehr begrenzte Kenntnisse über die Dicke von Festeis. Da weltraumgestützte Höhenmesser eine höhere Auflösung und eine höhere Präzision aufweisen, hoffen wir, dass diese Einschränkung bald behoben wird, es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.

Der größte Teil unseres derzeitigen Wissens über festes Eis stammt von glattem Festeis – aber wir wissen nicht viel über raues Festeis, einschließlich seiner Dicke, seiner Nährstoffspeicherung und seiner Rolle in Ökosystemen. Das Problem besteht darin, dass sich die meisten Antarktisstationen in der Nähe von glattem und nicht von rauem Festeis befinden, sodass In-situ-Messungen nur schwer sicher durchzuführen sind.

Um die Treiber der Festeisverteilung und ihre Anfälligkeit gegenüber einem sich ändernden Klima besser zu verstehen, müssen wir Festeis vollständig in unsere Klimamodelle einbeziehen. Ohne dieses wichtige Werkzeug können wir nicht das vollständige Verständnis des antarktischen Festeises erreichen, das erforderlich ist, um seine Bedeutung für das Erdsystem vollständig einzuschätzen.

–Pat Wongpan ([email protected], 0000-0002-7113-8221), Australian Antarctic Program Partnership, University of Tasmania, Australien; und Alexander D. Fraser ([email protected], 0000-0003-1924-0015), Australian Antarctic Program Partnership, University of Tasmania, Australien