The latest findings on the MOSAiC floe

Scientific study describes the nursery of sea ice and provides the basis for future assessments of research data

MOSAiC ice floe during Leg 4, June 30. 2020 — MOSAiC ice floe during leg 4 (Photo: Alfred-Wegener-Institut)

The New Siberian Islands were the birthplace of the MOSAiC floe: the sea ice in which the research vessel Polarstern is now drifting through the Arctic was formed off the coast of the archipelago, which separates the East Siberian Sea and the Laptev Sea to the north of Siberia, in December 2018. Sediments, and even small pebbles and bivalves, were incorporated into the ice during the freezing process, which the on-going melting process has brought to light on the surface of the MOSAiC floe. This is an increasingly rare phenomenon as nowadays most of the “dirty ice” melts before it even arrives in the Central Arctic. These are among the main findings of a study that MOSAiC experts have published now in the journal The Cryosphere, and which will provide the basis for numerous upcoming scientific assessments.

Auf den ersten Blick wirkt es, als hätten Menschen mit dreckverkrusteten Schuhen flächendeckend ihre Spuren im Schnee hinterlassen. Stattdessen sind es jedoch Sedimente und sogar kleine Steine und Muscheln, die die Schmelze derzeit an der Oberfläche der MOSAiC-Eisscholle freigibt. Sie sind beim Entstehen des Meereises mit eingefroren worden und stammen dementsprechend aus der Kinderstube des Eises auf dem Sibirischen Schelf, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jetzt anhand von Modellrechnungen in Kombination mit Satellitendaten genau beschrieben haben.

Scientists preparing the EM-Bird, an instrument towed by helicopters to measure thickness of sea ice. — EM Bird Preparation (Photo: Alfred-Wegener-Institut)

Die MOSAiC-Eisscholle hatte bereits rund 1200 Seemeilen im Zickzackkurs zurückgelegt, als der Forschungseisbrecher Polarstern am 4. Oktober 2019 bei 85 °Nord und 137 °Ost festmachte und die Drift durchs Nordpolarmeer begann. Während die Forschenden in der Arktis mit ihren Messungen beschäftigt sind, analysieren Kolleginnen und Kollegen daheim die erhobenen Daten. Die genaue Analyse bestätigt die ersten Eindrücke aus der Anfangsphase der Expedition: „Die Auswertung zeigt, dass die gesamte Region, in der die beiden Schiffe nach Schollen gesucht haben, durch außergewöhnlich dünnes Eis geprägt war“, berichtet Dr. Thomas Krumpen, Meereisphysiker am Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI). Der Erstautor der Cryosphere-Studie koordinierte im vergangenen Herbst die Wissenschaft auf dem russischen Forschungseisbrecher Akademik Fedorov, der das Flaggschiff der MOSAiC-Expedition, die Polarstern, die ersten Wochen ins Eis begleitete. Von der Akademik Fedorov aus fand der Aufbau von Messstationen in größerer Entfernung von der MOSAiC-Scholle – dem sogenannten „Distributed Network“ - statt.

Ice Rafted Debris IRD in Sea ice found on the MOSAiC Floe Fortress during Leg 4. Brownish patterns on ice show the abundance of the gravels. — Ice Rafted Debris Found in Sea ice in the Arctic Ocean (Photo: Alfred-Wegener-Institut)

„Unsere Studie zeigt, dass die Scholle, die wir letztendlich ausgesucht haben, im Dezember 2018 im Flachwasserbereich der russischen Schelfe gebildet wurde“, erläutert Thomas Krumpen. Vor den sibirischen Küsten drücken starke Winde das Eis von der Küste weg und es entsteht Neueis. Im Flachwasserbereich werden dann Sedimente vom Meeresboden nach oben aufgewirbelt und mit ins Eis eingeschlossen. Bei der Eisbildung können auch Presseisrücken entstehen, die manchmal über den Meeresboden kratzen. Das kann bewirken, dass Steine mit in das Meereis eingebaut werden. Mit der sommerlichen Eisschmelze tritt all dieses Material jetzt an die Oberfläche: „An mehreren Stellen haben wir ganze Haufen von Kieseln von mehreren Zentimetern Durchmessern gefunden und es sind auch Muscheln dabei“, berichtet MOSAiC-Leiter Prof. Markus Rex direkt aus der Arktis.

Thomas Krumpen ist zu Hause in Bremerhaven begeistert, dass das jetzt zutage tretende „Muscheleis mit Steinchen“, wie er es scherzhaft nennt, die Studie so eindeutig belegt. Das Autorenteam um den AWI-Forscher hatte eine Kombination aus Satellitenaufnahmen, Reanalysedaten sowie ein neu entwickeltes gekoppeltes thermodynamisches Modell zur Rückverfolgung (coupled thermodynamics-backtracking model) der Scholle genutzt. Jetzt stimmt er mit den Kollegen eine Strategie ab, um die Sedimente zu beproben. Wie stark die „schmutzigen“ und somit dunklen Flächen das Schmelzen der Scholle nun beschleunigen, ist eine wichtige Fragestellung, die zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen Ozean, Eis und Atmosphäre sowie der biogeochemischen Kreisläufe und des Lebens in der Arktis beiträgt.

Neben mineralischen Komponenten gelangen von der Küste auf diesem Wege auch eine Reihe anderer biogeochemischer Stoffe und Gase in den zentralen Arktischen Ozean. Sie sind ein wichtiger Schwerpunkt der MOSAiC-Forschung zu biogeochemischen Kreisläufen, also der Bildung oder Freisetzung von Methan und anderen klimarelevanten Spurengasen im Jahresverlauf. Der in den letzten Jahren beobachtete starke Eisrückgang in der Arktis hat allerdings dazu geführt, dass genau dieses Eis, das von den flachen Schelfen kommt und Sedimente und Gase beinhaltet, im Sommer vermehrt schmilzt. Der Stofftransport wird dann also unterbrochen. Bereits in den 1990er Jahren waren AWI-Forschende mit der Polarstern mehrfach in jenem Teil der Arktis unterwegs, in der nun die MOSAiC-Expedition ihren Anfang nahm. Damals war das Eis am Anfang des Winters noch rund 1,60 Meter dick, während im vergangenen Jahr das Packeis bis auf 50 Zentimeter abgeschmolzen war – was auch die Suche einer ausreichend dicken Scholle im Herbst 2019 erschwert hatte.

With the support of the Russian research vessel Akademik Fedorov and Russian helicopters, a Distributed Network of autonomous buoys was installed in a 40-km radius around the CO on 55 additional residual ice floes of similar age. — Picking up People (Photo: Alfred-Wegener-Institut)

Wir haben den glücklichen Umstand, dass wir eine Scholle gefunden haben, die den Sommer überlebt hat und von den russischen Schelfen stammt. So lassen sich Transportprozesse der ‚alten Arktis‘ untersuchen, die heutzutage nicht mehr oder nur noch teilweise funktionieren“, sagt Thomas Krumpen. Gerade in den hohen Breiten sorgt die globale Erwärmung für einen besonders raschen Temperaturanstieg. So hatten russische Wetterbeobachtungsstationen im Sommer 2019, dem Sommer vor Beginn der Expedition, Rekordtemperaturen aufgezeichnet. Die hohen Temperaturen haben ein rasches Abschmelzen begünstigt und die russischen Randmeere stark erwärmt. Als Folge dessen waren große Teile der Nordostpassage über 93 Tage eisfrei (Rekordwert seit Beginn der Satellitenaufzeichnung). Die Forscher erwarten, dass zukünftig im Falle weiterhin so hoher CO2 Emissionen - wie in den letzten Jahren – schon ab 2030 auch die zentrale Arktis im Sommer eisfrei sein wird.

Weiterführende Links zum Thema „Transpolar Drift im Wandel“:

https://www.meereisportal.de/mosaic/meereisticker/

Original publication

Originalpublikation: Krumpen, T., Birrien, F., Kauker, F., Rackow, T., von Albedyll, L., Angelopoulos, M., Belter, H. J., Bessonov, V., Damm, E., Dethloff, K., Haapala, J., Haas, C., Harris, C., Hendricks, S., Hoelemann, J., Hoppmann, M., Kaleschke, L., Karcher, M., Kolabutin, N., Lei, R., Lenz, J., Morgenstern, A., Nicolaus, M., Nixdorf, U., Petrovsky, T., Rabe, B., Rabenstein, L., Rex, M., Ricker, R., Rohde, J., Shimanchuk, E., Singha, S., Smolyanitsky, V., Sokolov, V., Stanton, T., Timofeeva, A., Tsamados, M., and Watkins, D.: The MOSAiC ice floe: sediment-laden survivor from the Siberian shelf, The Cryosphere, 14, 2173-2187,https://doi.org/10.5194/tc-14-2173-2020