Meereis
Das Meereis – eisiger Lebensraum
Krill
Für die Eskimos Grönlands, Nordamerikas und die Nomadenvölker im Norden Sibiriens ist das Meereis Lebensraum und die dazugehörige Tierwelt Lebensgrundlage. Doch Menschen stehen erst am Ende der Nahrungskette - der Anfang liegt verborgen im Meereis: Hier leben Algen und andere Kleinstlebewesen, die wichtiges Futter für den Krill sind. An der Eiskante gelangen die Organismen mit dem schmelzenden Eis ins Wasser. Krillschwärme treten hier in Massen auf und bieten Pinguinen, Eisbären, Robben und Walen ein reichaltiges Mahl.
Meereis und wo es vorkommt
Satellitenbilder der minimalen und maximalen Meereisbedeckung in der Arktis und Antarktis. Die Farben geben unterschiedliche Eisbedeckungsgrade in Prozent wieder (nach: Gloersen, P. et. al, 1992).
Große Mengen Meereis kommen sowohl in der Arktis als auch in der Antarktis vor. Die Ausdehnung und Mächtigkeit des Meereises verändert sich mit den Jahreszeiten. Wenn auf der Südhalbkugel Winter ist, sind bis zu zehn Prozent der Weltmeere mit Eis bedeckt. Die Eisbedeckung des Südpolarmeeres schwankt zwischen vier Millionen Quadratkilometern im Sommer und 20 Millionen Quadratkilometern im Winter, die der Arktis zwischen neun und 13 Millionen Quadratkilometern. Damit stellt die Meereisbedeckung neben der saisonalen Verbreitung von Schnee eine der veränderlichsten Oberflächenerscheinungen der Erde dar. Winterliches Meereis gibt es auch in der Ostsee sowie im Ochotskischen Meer. Letzteres reicht bis an die Küsten Japans.
Meereis und wie es entsteht
Bei einer Wassertemperatur von unter -1.8°C bilden sich millimetergroße Eiskristalle, die sich an der Wasseroberfläche ansammeln. Bei ruhigem Seegang können sie hier schnell zusammen frieren und es entsteht zunächst ein mehrere Dezimeter dicker Eisbrei: Die Wasseroberfläche erscheint geglättet und es sieht aus, als ob ein Ölfilm auf ihr liegt. Mit der Zeit und mit weiter abnehmender Temperatur verdichtet sich der Eisbrei zu Klumpen von wenigen Zentimetern Größe. Durch Wind und Wellen reiben sich diese Klumpen ständig aneinander und bekommen eine scheiben- oder auch pfannkuchenförmige Gestalt. Die Eispfannkuchen werden immer größer und verschmelzen, bis sich eine geschlossene Eisdecke gebildet hat. Die Bildung von Pfannkucheneis ist insbesondere für antarktisches Meereis typisch.
Eis verdickt sich auch durch einfaches Anfrieren an der Eisunterseite und bildet eine dünne geschlossene Neueisdecke, auch „Nilas“ genannt. Ein Vorgang, der auch beim Zufrieren von Seen zu beobachten ist. Nilas entsteht häufig auf Rinnen, die sich im Packeis bilden, oder in schmalen Wasserstreifen entlang der Küsten. Wenn große Nilas-Platten durch den Wind zusammen geschoben werden, kommt es zu so genannten "Fingerüberschiebungen", die nach ihrem typischen Aussehen benannt sind.
Die mit der Entstehung und Schmelze von Meereises verbundenen Prozesse beeinflussen wesentlich das Klimasystem der Erde und die globalen Meereströmungen. Meeresforscher erkennen inzwischen, dass sich die globale Erwärmung auf die Ausdehnung und Dicke des Meereises auswirkt.
Kristallstruktur von Meereis
Unterschieden wird zwischen körnigem Eis, das in stark bewegtem Wasser entsteht, und säuligem Eis, das sich in ruhigem Wasser durch zum Beispiel Anfrieren an der Eisunterseite bildet.
Körniges Eis ist typisch für Pfannkucheneis. Wind und Wellen bewegen das Wasser. Dabei entstehen kleine, runde Kristalle. Unter ruhigen Bedingungen wachsen Eiskristalle ungestört und bilden zentimeterlange, nadelartige Formen aus. Dünnes Neueis, so genanntes Nilas und Eis, das unter einer bestehenden Eisdecke anwächst, besitzen deshalb hauptsächlich eine säulige Kristallstruktur.
Die Kristallstruktur wird durch polarisiertes Licht sichtbar, wenn es durch eine Eisplatte scheint, die nur einen halben Millimeter dünn ist.
Wenn Meerwasser gefriert, bestehen die wachsenden Eiskristalle ausschließlich aus Wassermolekülen. Die viel größeren Salzionen können nicht mit in das Kristallgitter eingebaut werden. So bleiben die Salze in der flüssigen Phase zurück. Ein Teil dieser Sole sinkt aufgrund ihrer höheren Dichte während der Eisbildung in die Tiefe. Der Rest verbleibt in kleinen Poren im Eis. In der gesamten Eisdecke entstehen lange vertikale Kanalsysteme, so genannte Solekanäle, durch die das Salz in das Wasser absinken kann. Die Solekanäle bilden ein verästeltes Drainagesystem und machen Meereis sehr porös. Das Porenraumvolumen kann über 30 Prozent des Gesamtvolumens betragen.
Kunstharzausguss von Meereis-Kanalsystemen unter dem Rasterelektronenmikroskop (25fach vergrößert)
Kunstharzausguss von Meereis-Kanalsystemen unter dem Rasterelektronenmikroskop (25fach vergrößert)
Eisdrift und Deformation
Angetrieben von Wind und Strömung driften Meereisschollen an der Wasseroberfläche des Meeres. Geschwindigkeiten von sechs bis zehn Kilometer pro Tag sind normal. Bei starkem Wind können sie aber auch viel höher sein. Wo Schollen auseinander treiben, kann sich neues Eis bilden. Driften die Schollen aufeinander zu, kommt es zu Überschiebungen: Es entstehen Presseisrücken, Pfannkucheneis und Fingerüberschiebungen.
Eisdeformation führt immer zu einer Verdickung des Eises. Die Eisdicke kann lokal sehr variabel sein. Die großräumige Dickenverteilung des Eises wird von der mittleren jährlichen Windrichtung bestimmt. In der Arktis treibt das Eis generell auf die grönländische und kanadische Küste zu, wo es zu Eisdicken von weit über sechs Meter aufgepresst werden kann. Dagegen wird das Eis entlang der sibirischen Küste selten über zwei Meter dick. Im antarktischen Weddellmeer driftet das Eis im Uhrzeigersinn und wird dabei gegen die Küsten der Antarktischen Halbinsel gedrückt: Hier können Eisdicken von mehr als drei Metern auftreten. Im zentralen Weddellmeer ist das Eis selten mehr als einen Meter dick ist.
Physikalische Eigenschaften von Eis
Satelliten-Radaraufnahme eines 100 x 100 km großen Meereis-Gebiets im Weddellmeer, Antarktis, das Rinnensysteme und Eisschollen erkennen lässt (Copyright ESA).
Eis und der darauf liegende Schnee besitzen eine wichtige Eigenschaft: Sie reflektieren die einfallende Sonneneinstrahlung. Dieser Effekt wird „Albedo" genannt. Zieht sich das Eis aufgrund von Erwärmung zurück, kann mehr Strahlung vom offenen Wasser absorbiert werden. Dadurch gibt es eine positive Rückkopplung: Das Wasser und die Luft darüber werden stärker erwärmt. Die Folge: noch mehr Eis schmilzt.
Die elektromagnetischen Eigenschaften, die von Kristallgefüge, Salzgehalt und Temperatur des Eises bestimmt werden, sind Gegenstand intensiver Forschung am Alfred-Wegener-Institut. Zur großräumigen Meereisbeobachtung werden satellitengestützte Mikrowellen- und Radargeräte eingesetzt, die unabhängig von Bewölkung oder Tageszeit Bilder des Eises aufnehmen können.
Im Eis ist viel los
Jahresgang im Lebensraum Antarktisches Meereis.
Die geschlossene Eisdecke ist nicht nur ein Lebensraum für Tiere, die auf dem Eis leben, sondern auch für Organismen, die im Eis leben. Kleine Eiskristalle, die sich zu Beginn im Wasser bilden, werden durch Wind und Wellen immer wieder in größere Wassertiefen gedrückt. Wenn sie wieder auftreiben kommen sie mit Kleinstlebewesen, dem Plankton, in Kontakt. Die einzelligen Algen heften sich an die Eisnadeln und sammeln sich so im Eisbrei an. Planktonanreicherung wird auch vom Wellengang getrieben. Hierbei gelangen die Organismen durch die wellenbedingte Wasserströmung in den Eisbrei. Haben sich die Algen an die Bedingungen im Meereis gewöhnt und ausreichend Licht steht zur Verfügung, beginnen sie zu wachsen.
Der grundlegende Unterschied zwischen Meereis und Süßwassereis besteht im Solekanalsystem. Die Solekanäle sind in dem sonst soliden Meereis Lebensraum für mikroskopisch kleine Lebewesen: Es sind vor allem Algen, insbesondere Kieselalgen, die sich an die Bedingungen im Eis optimal angepasst haben. Den meist stäbchenförmigen, nur wenige Mikrometer großen Algen gelingt es, sich in diesem Milieu so stark zu vermehren, dass das Eis braun erscheint: Ein Resultat ihrer roten, gelben und grünen Photosynthese-Pigmente. Am häufigsten ist die Braunfärbung an der Unterseite des Eises zu erkennen. Hier steht das Solekanalsystem mit dem Meerwasser in Verbindung, das wichtige Nährstoffe liefert, die die Algen zum Wachstum benötigen.
Eine zentrale Stelle im Nahrungsnetz der südpolaren Gewässer nimmt der antarktische Krill (Euphausia superba) ein. Der Krebs ist etwa sechs Zentimeter groß und ernährt sich überwiegend von Mikroalgen, dem Phytoplankton, aber auch von kleinen Ruderfußkrebsen, die zum Zooplankton gehören. Sein Fressapparat ist perfekt ausgebildet: Mit ihm kann der Krill seine Nahrung sowohl aus dem freien Wasser filtrieren als auch von der Unterseite des Meereises abweiden. Viele Wal-, Robben-, Fisch-, Tintenfisch- und Vogelarten sind nahezu völlig vom Krill als Nahrungsquelle abhängig. Das Meereis nutzt der Krill aber nicht nur als Weidegänger: Die vielen Höhlen, Spalten und Risse dienen dem jungen Krill vor allem zum Schutz vor seinen Feinden. Insgesamt ist die Biomasse des Krills größer als die der Menschen, einzelne Krillchwärme könnten die Fläche Andorras einnehmen.
Eisschmelze
Steigen die Temperaturen von Luft und Wasser im Frühling und Sommer an, dann beginnt das Meereis zu schmelzen und die geschlossene Eisdecke zerbricht in einzelne Schollen. Eine Vielzahl von Organismen, hauptsächlich Algen, die sich über den Winter im Eis stark vermehrt haben, gelangt nun ins freie Wasser. Hier setzen sie ihr Wachstum fort und bilden die Grundlage für Phytoplanktonblüten: Im Sommer ist der Höhepunkt der Algenausschüttung erreicht. Dann strotzt es besonders an der Meereiskante zum offenen Wasser vor Leben: Krill, Fische, Vögel, Robben, Pinguine und Wale halten sich hier auf und ernähren sich vom reichhaltigen Nahrungsangebot. Pinguine und Robben, die auf dem Meereis geboren werden, finden hier einen idealen Start in ihr junges Leben. Der Kreislauf schließt sich, wenn das Phytoplankton im Herbst in das neu entstehende Eis eingeschlossen wird.
Da das Eis in der Arktis enorm dick ist, bleibt es deshalb auch im Sommer weitestgehend erhalten. Trotzdem schmilzt das Eis an der Oberfläche und es entstehen zahlreiche Schmelztümpel. Das Wasser in diesen Tümpeln ist trinkbar.
Eisbär auf einer Eisscholle mit Schmelztümpeln
Wissenschaft im Eis
Die Erforschung von Meereis erfordert einen hohen logistischen Aufwand: Das Meereis kann von den küstennahen Antarktisstationen und per Eisbrecher wie der Polarstern erreicht werden. Vom Schiff gehen die Forscher entweder direkt auf das Eis oder sie werden mit dem Hubschrauber auf weiter entfernte Eisschollen abgesetzt und dort später wieder abgeholt.
Die meisten Eisproben werden mit Hilfe eines motorgetriebenen Bohrers gewonnen: Mit ihm können zylinderförmige Kerne aus dem Eis geschnitten werden. Nach dem Bohren wird der Eiskern sofort zersägt, in Plastikdosen verpackt und tief gefroren: Das Material bleibt unverändert und kann auch später noch analysiert werden. Wenn ausreichend Zeit vorhanden ist, dann werden die Eisproben an Bord, teilweise sogar schon auf dem Eis untersucht. Für Analysen, wie zum Beispiel die Zusammensetzung von Organismen, Nährstoff-, Salz- und Chlorophyllgehalt müssen die Eiskerne im Labor vorher aufgetaut werden.
Per Satelliten-Fernerkundung und Untereissonar sowie luftgestützter Untersuchungen von Flugzeugen und Helikoptern untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Meereis auch indirekt. Zudem nutzen sie meteorologische, ozeanographische und biologische Daten und simulieren darüber Veränderungen und Produktivität des Meereises in Computermodellen: Die Rolle des Eises in polaren Ökosystemen und für das globale Klima wird damit besser verstehbar.
Wissenschaftler fliegen von der "POLARSTERN" aus mit dem Hubschrauber zum Einsatz auf dem Meereis
Wissenschaftler wurde mit Hilfe eines Schiffskrans zum Eisbohren auf einer Eisscholle gesetzt.
"Träges und geronnenes Meer"
Pytheas, Fernhandelskaufmann aus der Mittelmeerstadt Massila, berichtete bereits um 400 Jahre vor Christus von Treibeis. Er beschrieb es als „träges und geronnenes Meer“. Seit dem haben sich viele Walfängerschiffe und Robbenschläger durch das eisige Gebiet gekämpft. Viele konnten dem Druck des Packeises nicht standhalten und sind gesunken. Inzwischen haben die Schiffe an Perfektion gewonnen, trotzdem stellt das Meereis auch heute noch eine ernst zunehmende Gefahr dar und für die Handelsschifffahrt ein großes Hindernis. Die Eisbedeckung lässt sich heutzutage jedoch durch Satellitenaufnahmen vorhersagen, die das Meereis für Kapitäne einschätzbar machen.