EIN SCHELFEIS MIT GEDÄCHTNIS

Rund um die Antarktis endet der Eisschild nicht an der Küste. Er fließt als schwimmende Platten über das Meer hinaus, die Schelfeise, die der Ozean von unten anfrisst. Den Autoren zufolge können dünnere Schelfeise das aufliegende Eis dahinter schneller in den Ozean gleiten lassen, was zum Anstieg des Meeresspiegels beiträgt.

Was den Raum unter einem Schelfeis füllt, seine Kaverne, macht den ganzen Unterschied. Manche Kavernen enthalten kaltes Wasser um −2 °C (Salzwasser gefriert unter 0 °C), das an der Meeresoberfläche am Gefrierpunkt entsteht: Ihr Eis schmilzt langsam. In andere dringt warmes Tiefenwasser um 1 °C aus dem offenen Ozean ein: Dort ist das Schmelzen schnell. Ob eine Kaverne von kalt zu warm umschlagen kann und zurück, ist umstritten: Manche Studien fanden solche Umschwünge dauerhaft, andere umkehrbar.

Die Salzfabrik an der Eisfront

Das kalte Wasser stammt aus Küstenpolynjas: Flächen offenen, meereisfreien Meeres direkt vor einem Schelfeis. Winde treiben das Meereis aufs offene Meer hinaus, das freigelegte Wasser gibt Wärme an die eisige Luft ab, und neues Meereis bildet sich dort schneller als irgendwo sonst. Gefrierendes Meerwasser lässt sein Salz zurück. Das Oberflächenwasser wird schwerer und sinkt, wenn dies intensiv genug geschieht, ab und durchmischt das Wasser bis zum Meeresboden: Diese Tiefenkonvektion schickt kaltes Wasser in die Kaverne.

Ein Modell-Schelfeis in einem 250 Kilometer langen Kanal

Louis Saddier und Kollegen in Lyon und Canberra modellierten kein reales Schelfeis. Mit dem Ozeanmodell NEMO bauten sie ein idealisiertes: einen Kanal von 250 km Länge und 50 km Breite, einen flachen Meeresboden in 600 m Tiefe, ein 100 km langes Schelfeis mit gerader, geneigter Unterseite und am fernen Ende einen offenen Ozean mit fester Temperatur und Salinität. Direkt vor dem Eis erhält die Meeresoberfläche Salz und ahmt so eine Polynja nach. Dieser Salzfluss ist der wichtigste Regler.

Einfachheit spart Rechenzeit. Ausgehend von einer warmen Kaverne erhöhte das Team den Salzfluss alle 10 Jahre um 0,005 Gramm pro Quadratmeter und Sekunde – nach der Umrechnung der Autoren das Salz, das rund 5 Meter neues Meereis pro Jahr hinterlassen –, von null auf 0,075. Ausgehend von einer kalten Kaverne senkte es ihn auf dieselbe Weise. Jeder Pfad umfasst 16 Stufen und 160 simulierte Jahre. Der Höchstwert ist bewusst extrem: Die aktivste Polynja, die die Autoren anführen, Cape Darnley, erreicht etwa 0,03 (rund 30 Meter Meereis pro Jahr).

Dieselbe Polynja, zwei mögliche Ozeane

Liegt das Tiefenwasser draußen bei 0 °C oder kälter, ändert sich das Schmelzen gleichmäßig, und der Weg hinauf entspricht dem Weg hinunter. Bei 1 °C oder 2 °C schlägt die Kaverne abrupt um, innerhalb weniger Jahre, und die beiden Pfade stimmen nicht mehr überein:

• Bei 1 °C wird eine warme Kaverne kalt, sobald der Salzfluss etwa 0,04 erreicht. Eine kalte Kaverne wird erst wieder warm, wenn der Fluss auf etwa 0,02 fällt, also auf die Hälfte.
• Bei 2 °C lässt der Umschwung zu kalt bis etwa 0,06 auf sich warten, während der Rückweg weiterhin nahe 0,02 erfolgt. Das Fenster, der Bereich des Salzflusses, in dem sich jeder der beiden Zustände halten kann, wird breiter.
• Dazwischen kann dieselbe Polynja beide Zustände halten, mit einer mittleren Schmelzrate, die im warmen Zustand um ein Mehrfaches höher ist. Physiker nennen das Bistabilität; dass der Rückweg sich vom Hinweg unterscheidet, heißt Hysterese.

Schmelzwasser, das die Tür verriegelt

Warum erinnert sich der Ozean? Durch sein eigenes Schmelzwasser. Eine warme Kaverne schmilzt viel Eis. Das leichte Süßwasser aus der Schmelze breitet sich nahe der Oberfläche aus und hindert das Polynjawasser am Absinken, sodass die Kaverne warm bleibt, selbst wenn das Salz zunimmt. Eine kalte Kaverne schmilzt wenig, Konvektion kommt leicht in Gang, und sie bleibt kalt, selbst wenn das Salz abnimmt.

Diese Rückkopplung braucht eine Falle. Im Modell hält ein Wirbel (gyre), eine langsam rotierende Strömung, das Schmelzwasser vor dem Eis fest. Macht man die Seitenwände des Kanals reibungsfrei, weicht dieser Wirbel einem einzigen großen, der das Schmelzwasser in den offenen Ozean abführt: Der Umschwung wird allmählich und vollständig umkehrbar. Ein stärker geschichteter Ozean draußen verkleinert das Fenster ebenfalls, bis es verschwindet. Eine Erhöhung oder Senkung der horizontalen Viskosität um das Fünffache, einer inneren Reibung, die Modellierer mit wenigen Vorgaben festlegen, verengt das Fenster ebenfalls. Den Autoren zufolge könnte das erklären, warum frühere Studien zu unterschiedlichen Ergebnissen kamen.

Auf die Thermokline achten, nicht auf das Schmelzen

Der Umschwung hat ein klares Kennzeichen: die Thermokline, die Grenze zwischen der durchmischten kalten Schicht oben und der wärmeren Schicht darunter. Die Kaverne wird genau dann kalt, wenn die durchmischte Schicht den Meeresboden erreicht, und wieder warm, wenn sich die Thermokline von ihm löst. Vor dem Umschwung zu kalt schwankt die Tiefe der Thermokline immer stärker; vor dem Umschwung zurück zu warm schleicht sich warmes Tiefenwasser immer häufiger ein. Die Schmelzrate selbst lieferte keine brauchbare Vorwarnung.

Das Schmelzen folgt sogar zwei Gesetzen: im warmen Zustand ungefähr dem Quadrat des Überschusses des Wassers draußen über den lokalen Gefrierpunkt (−2,33 °C), im kalten Zustand einfacher Proportionalität. Die Formeln mit quadratischem Gesetz, mit denen man das Schmelzen gewöhnlich aus den Bedingungen draußen abschätzt, gelten womöglich nicht immer.

Kein Wind, kein echter Meeresboden

Der Kanal lässt Rinnen im Meeresboden, Winde, die Kopplung mit dem Meereis, den Rand des Kontinentalschelfs und Schmelzwasser benachbarter Schelfeise weg. Die Autoren merken an, dass reale Schelfeise wie Pine Island, Amery und Filchner Wirbel nahe ihrer Front haben, was sie anfälliger für unumkehrbare Umschwünge machen könnte. Im Modell reichten Zehnjahresschritte für einen vollständigen Umschwung; wie lange eine echte Kaverne bräuchte, lässt die Studie offen.