5. – 11. September 2011

Gas- und Edelsteinfunde im Eis

Das Highlight der letzten Woche gab es bereits am Dienstag mit dem Besuch der russischen Driftstation NP38. Seit 1937 betrieb die Sowjetunion und betreibt heute Russland kontinuierlich bemannte Messstationen auf dem driftenden Meereis. Auf der jetzigen Station leben und arbeiten 16 Personen, zum Teil seit letztem September, einige „erst“ seit April. Hier ist auch ein Kollege aus dem AWI-Potsdam eine Zeitlang mitgefahren und sein Material lagerte noch auf der Station. Da die Station auf unserer Route lag, bot sich ein Besuch an, um das Material abzuholen. Nach einer nächtlichen Eisstation (nächtlich für uns, da unsere Bordzeit MEZ ist; also ist bei 160° Ost nachts der höchste Sonnenstand) startete am Morgen ein reger Hubschrauberverkehr, um jeweilige Besucher zwischen Polarstern und NP38 hin- und her zu fliegen.

Mit Stolz wurden uns die sehr einfachen, aber vortrefflich praktischen Einrichtungen für das umfangreiche Beobachtungsprogramm vorgeführt, das in vielem unserer eigenen Arbeit entspricht – tägliche Temperatur-, Salzgehaltsmessungen, kontinuierliche Strömungsregistrierung, aber auch Analysen von im Wasser gelösten Stoffen; dazu Eisuntersuchungen, Strahlungsmessungen und natürlich meteorologische Beobachtungen. Es stimmt umso trauriger, dass die Datenpolitik des verantwortlichen russischen Instituts den sonst überall freien Datenaustausch nach wie vor unterbindet und die mit so viel Einsatz und Sorgfalt gewonnenen Messdaten, die ein wertvoller Beitrag zur internationalen Arktisforschung wären, nun lediglich in unzugänglichen russischen Berichten abgeheftet werden.

Nach dem Besuch ging es auch für uns weiter durch die weiße „Wüste“ Meereis, die jedoch aus der Nähe oder gar durch ein Mikroskop betrachtet, eine komplexe und vielfältig strukturierte Matrix offenbart, die einen besonderen Lebensraum darstellt, mit dem sich an Bord u.a. die Biogeochemiker beschäftigen.

Meereis entsteht im Herbst und Winter, wenn die Temperatur des Meerwassers durch atmosphärische Abkühlung etwa -1,89°C erreicht. Als erstes bilden sich winzige Eiskristalle, die aus reinem Süßwasser bestehen. Das Salz bleibt im Wasser zurück. Die Kristalle sind leichter als das Meerwasser und treiben an die Oberfläche, wo sie mit der Zeit zu einer festen Eisdecke zusammenfrieren. Das umgebende Wasser wird immer salziger und dadurch spezifisch schwerer. Ein Teil bleibt zwischen den Kristallen gefangen, ein anderer Teil des schwereren Wassers sinkt in die Tiefe, wo es sich als kaltes Tiefenwasser im gesamten Arktischen Ozean ausbreitet und letztendlich auch in andere Ozeane vordringt. Bei anhaltend niedrigen Lufttemperaturen wird die Eisdecke dicker – in einem typischen Winter um ca. einen Meter. Einiges Salzwasser sammelt sich dabei zwischen den Kristallen in Laugenkanälen und –taschen an, in denen es mit sinkender Temperatur immer salzreicher wird, dabei aber nie gefriert.

Bis vor kurzem glaubte man, das Meereis würde wie ein Deckel auf dem Ozean liegen und die Atmosphäre von dem darunter liegenden Wasser abschotten. Heute wissen wir, dass dies nicht der Fall ist und dass sowohl physikalische als auch chemische Wechselwirkungen zwischen Eis, Ozean und Atmosphäre stattfinden. Im Meereis selbst, in den Laugenkanälen und -taschen, wird im Laufe des Jahres eine regelrechte kleine Gasfabrik aufgebaut. Insbesondere im Frühjahr entwickelt sich eine „endemische“, an die eisigen Bedingungen besonders gut angepasste Lebensgemeinschaft, die hauptsächlich aus Mikroalgen und Bakterien besteht und die durch ihren Stoffwechsel neben direkten Veränderungen an ihrem Lebensraum auch einen Gasaustausch zwischen Atmosphäre und Ozean bewirkt.

Viele der Produkte aus den Gefrier- und Stoffwechselprozessen, z. B. die Gase Sauerstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Dimethylsulfat und Methan haben direkt oder indirekt Auswirkungen auf unser Klima. Im Sommer wird das Meereis durch erhöhte Sonneneinstrahlung und steigende Wassertemperaturen wärmer; ein Teil schmilzt – noch beschleunigt durch das konzentrierte Salzwasser in den Kanälen - und das Eis wird dadurch dünner. Das Salzwasser sickert aus dem Meereis und mit ihm die Produkte der Stoffwechselprozesse seiner Bewohner. Das geschmolzene „süße“ Meereis bildet direkt unter dem verbleibenden Eis eine Wasserschicht, die leichter ist als das darunter liegende Meerwasser. Den Übergang zum „normalen“ Meerwasser bildet eine relativ stabile Schicht in einer Tiefe von etwa 25 bis 30 Metern. Diese stabile Schicht isoliert die Untereis-Wasserschicht und das Eis vom darunterliegenden Ozean und verhindert damit, dass sich die Stoffwechselprodukte aus ihrer Untereis- Wasserschicht heraus nach unten „verdünnisieren“.

Zunächst vermessen wir also mit einer CTD-Sonde die durch den unterschiedlichen Salzgehalt entstandene Schichtung, um dann in ausgesuchten Wassertiefen Proben für weitere Analysen zu entnehmen. Zur Probennahme wird eine so genannte „Niskin“-Flasche offen in die Zieltiefe gelassen und dann wird ihr Verschluss mit einem herunterfallenden Gewicht ausgelöst. Die Wasserproben werden anschließend in den Bordlaboren auf die verschiedenen Gase sowie den Gehalt an gelösten anorganischen und organischen Substanzen und ihre bakterielle Aktivität hin untersucht oder für weitere Analysen in den Heimlaboren konserviert.

Auch das Meereis selbst wird mittels Eiskernbohrern beprobt. Die Eiskerne werden geschmolzen und dann ähnlich wie das Wasser aufbereitet um auch darin die verschiedenen chemischen Produkte zu bestimmen.

In den letzten Tagen ist es drastisch kälter geworden und bei Lufttemperaturen um minus acht Grad  bildete sich das erste Neueis. Bei der Bildung von Meereis kommt es unter bestimmten Voraussetzungen zur Fällung von Ikait, einer besonderen Kalziumkarbonat-Kristallform (CaCO3.6H20). Dabei wird das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) freigesetzt. Ikait wurde mittlerweile in großen Mengen im antarktischen Meereis gefunden. Werden diese Kristalle auch in der Arktis produziert und sehen wir damit einen grundsätzlichen Vorgang bei der Eisbildung oder bedarf es dazu spezieller nur in der Antarktis gegebener Verhältnisse? Die Antwort ist da: wir haben im 5 Zentimeter dicken Neueis die ersten Ikaitkristalle gefunden. Um den Prozess nun besser zu verstehen und die produzierte Menge an CO2 abzuschätzen, werden CaCO3-Kristalle aus geschmolzenen Eisproben unter dem Binokular dokumentiert, bevor sie für weitere Analysen im Heimatlabor konserviert werden.

Beste Grüße von allen an Bord,

Ursula Schauer, Gerhard Dieckmann und Ellen Damm (für die Biogeochemie)