29. Apr. 2019
Die Polynja in der Lazarev-See aus dem Jahr 2017.

Die Polynja in der Lazarev-See aus dem Jahr 2017.

In den antarktischen Wintern Mitte der 70er Jahre klaffte mitten im dicken Packeis der Lazarev-See ein gewaltiges Loch. Berechnungen ergaben, dass sich dort ein eisfreies Gebiet von der Größe der britischen Inseln gebildet hatte. Diese Weddell-Polynja faszinierte viele Polarforscher, weil so wenig über sie bekannt war, und sie sich erst rund 40 Jahre später in den Jahren 2016 und 2017 wieder zeigte. Auf der Jahrestagung der Europäischen Geowissenschaftlichen Union wurden Erklärungen für das Phänomen präsentiert.

Erst die Mikrowellendaten des neuen meteorologischen Versuchssatellit Nimbus-5, den die NASA 1972 in die Umlaufbahn geschossen hatte, zeigten das klaffende Loch im Eis. Das ESMR-Instrument an Bord protokollierte die Eisbedeckung an den Polen und wies erstmals im antarktischen Winter 1973/74 eine bescheidene Lücke im Eis nach, die sich auch relativ schnell wieder schloss. Im folgenden Winter war das Loch jedoch auf die gewaltige Fläche von 250.000 Quadratkilometer – mehr als die Fläche Großbritanniens – gewachsen, und es schloss sich nicht mehr, solange Packeis das Weddellmeer und die Lazarev-See bedeckte.

Blick vom Satelliten auf die Polynja in der Lazarev-See von 2017.

Die Polynja in der Lazarev-See aus dem Jahr 2017.

Bild: NASA/CC0
Die gewaltige Polynja von 1976 in der Lazarev-See.

Die gewaltige Polynja von 1976 in der Lazarev-See.

Bild: NASA/CC0
Karte der Polynja von 2017 in der Lazarev-See mit Hilfe von Daten der NASA und des SOCCOM-Konsortiums.

Karte der Polynja von 2017 in der Lazarev-See mit Hilfe von Daten der NASA und des SOCCOM-Konsortiums.

Bild: SOCCOM/NASA
Polynja von 2017 in der Lazarev-See nach Klimasimulationen, in Rot das Kiel-Climate-Model.

Polynja von 2017 in der Lazarev-See nach Klimasimulationen, in Rot das Kiel-Climate-Model.

Bild: GEOMAR
1 / 4

Die Polynja in der Lazarev-See aus dem Jahr 2017.

Bild: NASA/CC0

Die gewaltige Polynja von 1976 in der Lazarev-See.

Bild: NASA/CC0

Karte der Polynja von 2017 in der Lazarev-See mit Hilfe von Daten der NASA und des SOCCOM-Konsortiums.

Bild: SOCCOM/NASA

Polynja von 2017 in der Lazarev-See nach Klimasimulationen, in Rot das Kiel-Climate-Model.

Bild: GEOMAR

Drei Winter, bis 1976, erschien das Loch, im Fachjargon eine Polynja, regelmäßig im Packeis, dann verschwand es wieder. "Seither hat es keine derart große Öffnung mehr gegeben", berichtete Paul Spence vom Klimaforschungszentrum der Universität von New South Wales in Sydney auf der EGU-Jahrestagung. Im Winter der Südhalbkugel sinken die Lufttemperaturen über den Meeren rund um die Antarktis auf zweistellige Minusgrade, die Wassertemperatur schwankt um den Nullpunkt. Wie sich unter diesen Umständen mitten im Packeis ein Gebiet offenen Wassers von der Größe der britischen Inseln bilden kann, beschäftigte fortan die Fantasie etlicher Polarforscher.

Polynja kam erst zweimal wieder

"Unser Problem ist, dass wir aus dem Gebiet bis heute keine nennenswerten Beobachtungsdaten besitzen", bedauerte Diana Francis in Wien. Die Meteorologin arbeitet am Zentrum für globale Meeresspiegeländerung der New York University in Abu Dhabi. Immerhin sorgen Erdbeobachtungssatelliten, die seit den 70er Jahren die Pole überfliegen, dafür, dass den Wissenschaftlern die Polynjas mitten im antarktischen Packeis nicht mehr entgehen. Daher weiß man, dass die Polynja aus den 70er Jahren eine absolute Ausnahme war. Erst 2016 und 2017 gab es wieder kleinere Wasserflächen mitten im Packeis der Lazarev-See, die allerdings 25.000 und 80.000 Quadratkilometer groß wurden und sich schnell wieder schlossen.

Das Fehlen von Beobachtungsdaten versuchen Forscher wie Diana Francis und Paul Spence durch Modellierungen auszugleichen. Francis hat soeben zusammen mit Kollegen einen Bericht über die Entstehung der Polynja in "JGR Atmosphere", einer Zeitschrift der Amerikanischen Geophysikalischen Union, veröffentlicht. "Um eine Polynja zu öffnen, brauchen wir starke polare Zyklone, die bis über die Packeisgebiete gelangen", fasst Francis die zentrale Erkenntnis aus ihren Modellrechnungen zusammen. Sind die Wirbelstürme nur intensiv und ausdauernd genug, treiben sie die Meereisschollen auseinander, sodass sich die Polynja öffnen kann.

Starke Stürme reißen ein Loch

Am Beispiel der kleineren Polynja von 2017 hat Francis die meteorologischen Bedingungen rekonstruiert, die zum Loch im Eis führen. "In den Monaten Juni bis September wurde sehr viel warme Luft von den niederen Breiten in Richtung der Antarktis transportiert", berichtet die Wissenschaftlerin, "sie erreichte aber nicht das Gebiet der Polynja selbst, sondern das Weddellmeer im Westen der Lazarev-See." Dort entstanden mehr und stärkere Stürme, die mit der generellen Windrichtung nach Osten über die Lazarev-See abzogen.

Warum sie dort für eine Öffnung des Packeises sorgten und nicht direkt im Weddellmeer, liegt an der zweiten Voraussetzung für ein solches Loch. "In der Lazarev-See liegt ein gewaltiger Seeberg, der Maud Rise", erklärt Paul Spence, "dort steigt der Meeresboden von einer Meerestiefe von sonst 5000 auf nur noch 2500 Meter an und lenkt so vergleichsweise warmes und salzhaltiges Tiefenwasser in Oberflächenrichtung." Über dem Maud Rise ist daher das Packeis grundsätzlich dünner und fragiler als im restlichen Sektor. Die polaren Wirbelstürme haben dort also besonders leichtes Spiel mit den Eisschollen.

Starker Energiefluss aus dem Ozean in die Atmosphäre

Haben die Stürme erst ein Loch gerissen, gibt das Meerwasser enorme Energiemengen an die Lufthülle ab, denn zwischen beiden besteht ein Temperaturgefälle von Dutzenden Grad. "Es ist wie ein weit geöffnetes Fenster zwischen Ozean und Atmosphäre", beschreibt Diana Francis. Der Energietransfer setzt eine starke Konvektion im Ozean in Gang. "Das Oberflächenwasser wird kälter und dichter, sinkt dadurch hinab und durchmischt die gesamte Wassersäule", so Paul Spence. Nach diesem Mechanismus wird rings um die Antarktis herum das sogenannte antarktische Bodenwasser gebildet. Es macht bis zu 40 Prozent des Tiefenwassers aus, das in weltumspannenden Strömen durch die Ozeanbecken fließt. Allerdings sind die Polynjas, in denen diese Tiefenwasserbildung stattfindet, zahlreich aber dafür winzig klein und liegen sehr dicht an der antarktischen Küste. Sie entstehen durch die ablandigen Winde, die von den Eiskappen des Kontinents auf das Meer hinauswehen.

Die große Frage ist, welchen Einfluss eine riesige Polynja wie die aus den 70er Jahren auf Ozean und Atmosphäre hat. Paul Spence glaubt, dass ihre Wirkungen global und für lange Zeit zu spüren waren. "Durch eine solche Polynja gelangt eine große Menge kalten und sauerstoffreichen Wassers in die Tiefsee. Dort breitet es sich aus, lässt den Sauerstoffgehalt ansteigen und kurbelt möglicherweise die Meereszirkulation und die biologische Produktivität an." Auf der EGU-Tagung in Wien stellte er Modellrechnungen vor, nach denen die Polynja der 70er Jahre den Trend zu höheren Temperaturen und geringeren Sauerstoffgehalten in der Tiefsee verursacht haben könnte, den Meeresforscher seit den 80er Jahren vor allem im Südatlantik beobachten.

Auswirkungen auf das globale Klimasystem

"Ich glaube, ein Großteil dieser Veränderungen sind darauf zurückzuführen, dass sich die Tiefsee vom Polynja-Ereignis in den 70er Jahren erholte und zu einem etwas wärmeren und weniger sauerstoffhaltigen Ausgangszustand zurückkehrte." In den Messdaten kann Spence seine Hypothese nicht belegen, dafür sind die Informationen aus der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts einfach nicht gut genug. "Allerdings kann ich alle Trends seit 1980 reproduzieren, wenn ich ein einzelnes Polynja-Ereignis annehme", betont der Forscher. Sollte er recht haben, wäre das Loch im Eis der Lazarev-See eine Anomalie im Erdsystem mit weitreichenden Auswirkungen. "Im Fall der Polynja aus den 70er Jahren hielten sie zwei bis vier Jahrzehnte an", so Spence.

Allerdings gehen die Einschätzungen weit auseinander, ob sich das Phänomen in Zeiten des Klimawandels in Zukunft öfter zeigen wird. Der Ozeanograph Paul Spence glaubt es nicht, weil der Ozean stärker geschichtet sein wird, und daher die Aufwallungen von warmem, salzhaltigen Tiefenwasser am Maud Rise nicht mehr so nahe an die Oberfläche gelangen werden. Die Meteorologin Diana Francis dagegen verweist auf Einschätzungen des Weltklimarates IPCC und erwartet häufigere Polynjas in der Lazarev-See. "Laut IPCC werden mehr Zyklone die Gewässer vor der Antarktis erreichen, dadurch wird die Packeisdicke geringer werden und die Chance für derartige Löcher wird steigen."