Roboterdaten helfen, mysteriöse Löcher zu erklären

Weddell Sea Polynya, ursprünglich 3.700 Quadratmeilen, 2017. Das NASA-Satellitenbild in falscher Farbe zeigt Eis in Blau, Wolken in Weiß. (Foto: Scripps Institution of Oceanography)

Das Wintereis auf der Oberfläche des Weddellmeeres der Antarktis bildet gelegentlich ein riesiges Loch. In den Jahren 2016 und 2017 stieß ein solches Loch bei Wissenschaftlern und Medien auf große Neugier.

Obwohl sich vor Jahrzehnten größere Lücken gebildet hatten, war dies das erste Mal, dass Ozeanographen die Gelegenheit hatten, die unerwartete Lücke im Meereis des antarktischen Winters wirklich zu überwachen. Es war eine Gelegenheit, die sich aus einem unheimlichen Timing und dem Wissen eines erfahrenen Ozeanographen über das Meer ergab.

Eine neue Studie, die von Forschern der Scripps Institution of Oceanography an der Universität von Kalifornien in San Diego mitverfasst wurde, kombiniert Satellitenbilder der Meereisbedeckung und Daten, die von Roboterdriftern und sogar mit Sensoren ausgestatteten Robben gesammelt wurden, um das Phänomen besser zu verstehen. Die von der University of Washington (UW) geleitete Untersuchung untersucht, warum dieses Loch nur einige Jahre vorkommt und welche Rolle es in der größeren Ozeanzirkulation spielen könnte.

Die Studie, die am 10. Juni in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde , geht auf eine Region ein, die von Ozeanographen als entscheidend für das Klima angesehen wird. Es wird vermutet, dass der Südliche Ozean eine Schlüsselrolle bei den globalen Meeresströmungen und Kohlenstoffkreisläufen spielt, aber sein Verhalten ist kaum bekannt. Es beherbergt einige der heftigsten Stürme auf dem Planeten, wobei die Winde in der 24-Stunden-Dunkelheit des Polarwinters ununterbrochen um die Antarktis peitschen. Die Studie legt nahe, dass die Phänomene, die diese Winde auslösen, Auswirkungen auf das weltweite Klima haben können.

"Wir dachten, dass dieses große Loch im Meereis - bekannt als Polynya - etwas Seltenes war, vielleicht ein Prozess, der ausgestorben war. Aber die Ereignisse in 2016 und 2017 zwangen uns, dies erneut zu bewerten", sagte der Hauptautor Ethan Campbell. ein UW Doktorand in Ozeanographie. "Beobachtungen zeigen, dass sich die jüngsten Polynyas aus einer Kombination von Faktoren ergeben haben: Zum einen aus ungewöhnlichen Meeresbedingungen und zum anderen aus einer Reihe sehr intensiver Stürme, die mit fast hurrikanartigen Winden über das Weddellmeer wirbelten."

Ein "Polynya", ein russisches Wort, das in etwa "Loch im Eis" bedeutet, kann sich in Küstennähe bilden, wenn der Wind das Eis herumschiebt. Es kann aber auch weit von der Küste entfernt erscheinen und Wochen bis Monate dort verweilen, wo es als Oase für Pinguine, Wale und Robben dient, um aufzutauchen und zu atmen.

Dieser besondere Ort weit von der antarktischen Küste hat oft kleine Öffnungen und hat zuvor große Polynyas gesehen. Die größten bekannten Polynyas an diesem Standort waren 1974, 1975 und 1976, kurz nach dem Start der ersten Satelliten, als ein Gebiet von der Größe Neuseelands trotz weit unter dem Gefrierpunkt liegender Lufttemperaturen in drei aufeinanderfolgenden Wintern in der Antarktis eisfrei blieb.

Die neue Studie stützte sich auf Beobachtungen aus dem Projekt zur Kohlenstoff- und Klimabeobachtung und -modellierung im Südpolarmeer (SOCCOM), das seit 2014 Instrumente einsetzt, die mit den Strömungen schwanken, um die Bedingungen in der Antarktis zu überwachen. Ausschlaggebend für den Erfolg des Projekts war die Auswahl der Standorte im Weddellmeer, an denen Instrumente eingesetzt wurden. Ende 2014 wählte die Scripps-Ozeanographin Lynne Talley, eine der Hauptwissenschaftlerinnen von SOCCOM, den Ort zum Teil aufgrund eines besonderen Merkmals - eines Unterwasserberges namens Maud Rise. Das Forschungsteam brachte modifizierte Versionen von Schwimmern auf den Markt, die ursprünglich für Argo gebaut wurden - ein Netzwerk von fast 4.000 Robotern, die weltweit grundlegende Daten in Tiefen von 2.000 Metern (6.500 Fuß) sammeln. Diese spezialisierten Einheiten - bekannt als biogeochemische Argo-Schwimmer - verfügen über zusätzliche Instrumente, die Messungen in Bezug auf die biologische Aktivität ermöglichen.

Talley, Mitautorin der Studie, sagte, sie habe sich auf das Gebiet des Maud Rise konzentriert, weil sie wusste, dass es mit interessanten Klimaphänomenen in Verbindung gebracht werden kann. Sie wusste, dass es eine gute Chance gab, dass die Physik der Ozeane um den Berg herum die Schwimmer um den Berg herum mitreißen würde, was zu einer Fülle von Daten führen könnte.

"Aber wir hatten keine Ahnung, dass das größte Ereignis seit Mitte der 1970er Jahre genau dann eintreten würde, wenn wir diese Wagen einsetzen", fügte sie hinzu.

Die Entstehung der Riesen-Polynya erfolgte zufällig im Jahr 2016, als sich die Schwimmer noch in der Region befanden, um das Ereignis einzufangen. Ein NASA-Satellitenbild im August dieses Jahres ergab eine Lücke von 33.000 Quadratkilometern (13.000 Quadratmeilen), die drei Wochen lang auftrat. Eine noch größere Lücke, die sich auf 50.000 Quadratkilometer vergrößerte, trat im September und Oktober 2017 auf.

"Lynne erkannte die Bedeutung der Region Maud Rise für das Klima und stellte sicher, dass Argo-Schwimmkörper im Rahmen des SOCCOM-Projekts in der Region präsent sind", sagte der Scripps-Forscher Matt Mazloff, Mitautor des Papiers. "Die Float-Daten ermöglichten eine gründliche Untersuchung der Ursachen und Auswirkungen dieser Öffnung der Eisdecke sowie ein neues Verständnis der historischen Ereignisse."

Die Studie verwendete andere Argo-Daten sowie Daten von Seeelefanten, die mit Tags versehen waren, die sie an Land zurückstrahlen, Wetterstationen, atmosphärische Analysen und jahrzehntelange Satellitenbilder.

"Diese Studie zeigt, dass diese Polynya tatsächlich durch eine Reihe von Faktoren verursacht wird, die alle aufeinander abgestimmt sein müssen", sagte der Co-Autor Stephen Riser, ein UW-Professor für Ozeanographie. "In einem bestimmten Jahr könnten mehrere dieser Dinge passieren, aber wenn Sie nicht alle bekommen, bekommen Sie keine Polynya."

Die Studie zeigt, dass Winde, die die Antarktis näher an die Küste bringen, eine stärkere Aufwärtsmischung des Wassers im östlichen Weddellmeer fördern. In dieser Region drückt Maud Rise dichtes Meerwasser um sich und hinterlässt darüber einen Wirbel. Zwei SOCCOM-Instrumente waren im Wirbel über Maud Rise gefangen und zeichneten dort jahrelange Beobachtungen auf.

Die Analyse zeigt, dass starke Winterstürme, wenn der Oberflächenozean besonders salzig ist, wie dies 2016 zu beobachten war, eine umkippende Zirkulation auslösen können, in der wärmeres, salzigeres Wasser aus den Tiefen an die Oberfläche gelangt. Dort kühlt es die Luft und macht es dichter als das Wasser darunter. Wenn dieses Wasser sinkt, wird es an der Oberfläche durch relativ warmes, tiefes Wasser von etwa 1 ℃ (34 ℉) ersetzt, wodurch eine Rückkopplungsschleife entsteht, in der sich das Eis nicht mehr bilden kann.

"Die Mischung, die Ethan über Maud Rise fand, vermischt auch Nährstoffe und trug zu einer großen und frühen Chlorophyllblüte bei, die an den biogeochemischen Schwimmern von SOCCOM gemessen wurde", sagte Talley. "Wir haben also noch viel mehr zu entdecken und zu verstehen über dieses Ereignis."

Aufgrund des Klimawandels wird erwartet, dass Süßwasser aus schmelzenden Gletschern und anderen Quellen die Oberflächenschicht des Südlichen Ozeans weniger dicht macht, was in Zukunft weniger Polynyas bedeuten könnte. Aber die neue Studie stellt diese Annahme in Frage. Viele Modelle zeigen, dass die Winde in der Antarktis stärker werden und näher an die Küste rücken. Das neue Papier schlägt vor, dass dies mehr Polynyas ermutigen würde, sich zu bilden, nicht weniger.

Dies sind die ersten Beobachtungen, die belegen, dass selbst eine kleinere Polynya wie die von 2016 Wasser von der Oberfläche bis in die Tiefe des Ozeans befördert.

"Im Grunde genommen handelt es sich um ein Umkippen des gesamten Ozeans und nicht um eine Injektion von Oberflächenwasser bei einer Einwegfahrt von der Oberfläche in die Tiefe", sagte Co-Autor Earle Wilson, der kürzlich an der UW über Ozeanographie promovierte.

Eine Möglichkeit, wie eine Oberflächenpolynie das Klima beeinflusst, ist das als antarktisches Grundwasser bekannte tiefe Wasser. Wo und wie das tiefe Wasser entsteht, wirkt sich auf seine Eigenschaften aus, was sich auf andere große Meeresströmungen auswirken würde.

"Im Moment glauben die Leute, dass sich der größte Teil des Grundwassers im antarktischen Schelf bildet, aber diese großen Offshore-Polynyas waren in der Vergangenheit möglicherweise häufiger", sagte Riser. "Wir müssen unsere Modelle verbessern, damit wir diesen Prozess untersuchen können, der größere Auswirkungen auf das Klima haben könnte."

Große und lang anhaltende Polynyas können sich auch auf die Atmosphäre auswirken, da tiefes Wasser Kohlenstoff aus Lebensformen enthält, die über Jahrhunderte gesunken sind und sich auf ihrem Weg nach unten aufgelöst haben. Sobald dieses Wasser die Oberfläche erreicht, kann Kohlenstoff freigesetzt werden.

"Dieses tiefe Kohlenstoffreservoir ist seit Hunderten von Jahren weggesperrt, und in einer Polynya könnte es durch diese wirklich heftige Vermischung an der Oberfläche belüftet werden", sagte Campbell. "Ein großes Ereignis zur Kohlenstoffausgasung könnte das Klimasystem wirklich erschüttern, wenn es mehrere Jahre hintereinander passiert."

„Diese Polynya war ein bedeutendes Ereignis mit wichtigen Auswirkungen auf unser sich änderndes Klima. Es war Lynnes Weisheit zu verdanken, dass sie Schwimmer über dem Maud Rise einsetzte, die so gut dokumentiert waren “, sagte Mazloff. "Zusätzlich zu dieser Studie zeichnen sich weitere Analysen ab, die sowohl die Bedeutung des Ereignisses als auch die Menge an Informationen belegen, die wir dank SOCCOM darüber gesammelt haben."

Weitere Koautoren des Beitrags sind Kent Moore von der University of Toronto, der 2016-17 den kanadischen Fulbright-Lehrstuhl für Arktisstudien an der UW innehatte. und Casey Brayton von der University of South Carolina, die ihre Arbeit im Rahmen des Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) -Programms bei Scripps initiierte.

SOCCOM wird von der National Science Foundation finanziert. Campbell wurde vom Verteidigungsministerium durch das National Defense Science & Engineering Graduate Fellowship-Programm unterstützt. Zusätzliche Mittel werden von der NSF, der National Oceanic and Atmospheric Administration, UW und Scripps Oceanography bereitgestellt.

- Adaptiert von der University of Washington