Grenzschichtprozesse

Die Struktur der polaren Grenzschicht wird durch großräumigen Transport von Wärme und Feuchte sowie durch lokale Prozesse beeinflusst. Dies sind turbulente Prozesse und Strahlungsprozesse, welche beide von Charakteristiken der Meereisoberfläche abhängen, aber auch von niedriger Bewölkung.

Ein Beispiel für die Beeinflussung durch Turbulenz stellen Kaltluftausbrüche dar. Dabei werden aus den inneren polaren Regionen über den offenen Ozean herantransportierte Luftmassen stark erwärmt. Die entstehende Turbulenz bewirkt einen Anstieg der Grenzschichtdicke von z.B. 100 m über Meereis auf 2 km in einer Entfernung von 200 km stromabwärts der Eisrandzone. Umgekehrt führen aufeisige Strömung sowie Ausstrahlung über Meereis zu sehr flachen Grenzschichten. Die damit verbundene thermisch stabile Schichtung bewirkt ein rasches Abklingen turbulenter Wirbel. 

Turbulente Prozesse hängen vom Unterschied zwischen Luft- und Oberflächentemperatur ab, und damit auch von Meereiseigenschaften wie der Konzentration von Meereis (Rinnenbedeckung) und seiner Dicke. Aber auch die Oberflächentopographie (Presseisrücken, Kanten von Eisschollen und Schmelztümpeln) spielt eine wichtige Rolle für die Ausbildung turbulenter Wirbel. Schneeauflage sowie Schmelztümpel und vor allem Bewölkung beeinflussen stark die Strahlungsprozesse. Alle genannten Parameter variieren räumlich stark, was eine große Herausforderung für die Ableitung von Prozessparametrisierungen darstellt. Diese sind vor allem für Klimamodelle wichtig, denn deren Gitterweiten sind noch immer viel größer als z. B. die typische räumliche Skala von Inhomogenitäten der Meereisbedeckung.

AWI-Forschende unserer Sektion haben die verschiedenen Regime in den vergangenen Jahren anhand vieler Fallstudien (Modellierung und Messung) untersucht. Basierend auf den Ergebnissen wurden Turbulenzparametrisierungen für stark konvektive Strömung sowie für den oberflächennahen Transport von Energie und Impuls über Meereis in den inneren Regionen der polaren Ozeane und den Eisrandzonen mit speziellen Bedingungen entwickelt. Auch der starke Einfluss von Konvektion über Eisrinnen wurde untersucht.

Die Wechselwirkung der unteren Atmosphäre mit Meereis und Ozean wird durch Prozesse beeinflusst, die mit der Oberflächenmorphologie zusammenhängen. Diese wird über den polaren Ozeanen vor allem durch den Grad der Meereisbedeckung und die damit verbundene Oberflächentemperaturverteilung bestimmt. Dies gilt für alle Jahreszeiten, aber im Winter ist der Kontrast zwischen der Temperatur des eisfreien Ozeans und der Meereisoberfläche sowie der oberflächennahen Lufttemperaturen besonders groß. Dadurch kann sich über offenem Wasser konvektive Turbulenz entwickeln. In den inneren Regionen der polaren Ozeane existieren Flächen offenen Wasser in Form von Eisrinnen und kleineren teich- oder seeartigen Polynyen. Bereiche offenen Wassers nehmen meist zum Eisrand hin (also in der sog. Eisrandzone) zu. Dort driften Eisschollen, deren Durchmesser meist vom äußersten Rand zu den inneren Regionen hin zunehmen. Die damit verbundenen kleinräumigen atmosphärischen Prozesse sind ein wichtiges Thema unserer Arbeiten (siehe z.B. Kampagne STABLE).

Eine für die atmosphärische Strömung wichtige Beschaffenheit des Meereises ist auch seine aerodynamische Rauigkeit. Neu gebildetes Meereis (Nilas) ist meist sehr glatt, aber durch Zerbrechen und Übereinanderdriften von Schollen, verursacht durch Wind und Ozeanströmung, wird die Eisoberfläche rauer. Und nach einiger Zeit wird sie vor allem durch die gebildeten Eisrücken dominiert. Deren geometrische Strukturen sind vielfältig, und nach einiger Zeit wird die Oberflächenrauigkeit auch durch Schneeverwehungen (Sastrugis) geprägt. Der durch die genannten Rauigkeitselemente sowie durch Kanten driftender Schollen und von Schmelztümpeln verursachte Staudruck führt zur Bildung turbulenter Wirbel über der Meereisoberfläche, die den Impulstransport in der unteren Atmosphäre und damit auch die Meereisdrift beeinflussen.

Der Energie- und Impulstransport über Meereis und Ozean ist ein wichtiges Thema unserer Forschung. Zur detaillierten Unterschung führen wir Flugzeugmessungen durch, wenden Atmosphärenmodelle an und entwickeln schließlich vereinfachte Beschreibungen (Parametrisierungen) für Klima- und Wettervorhersagemodelle.

Die Wechselwirkung zwischen atmosphärischen Prozessen in polaren und mittleren Breiten wird stark durch Kaltluftausbrüche (engl. Abkürzung: CAOs) beeinflusst. Während solcher Ereignisse wird kalte Luft von den mit Meereis bedeckten Regionen (auch von Schelfen oder von Grönland) über große Distanzen in niedere Breiten transportiert, während sich über dem offenen Ozean eine flache, aber stark erwärmte konvektive Grenzschicht entwickelt. In dieser Schicht ist die Strömung in sogenannten Konvektionsrollen organisiert. Diese sind auf Satellitenbildern als „Wolkenstraßen“ sichtbar, die sich in der rollenartigen atmosphärischen Zirkulation entwickeln. Die typische Breite der Rollen beträgt 1-5 km, während sie Längen von mehreren Hundert Kilometern erreichen. Bei Kaltluftausbrüchen können die oberflächennahen atmosphärischen Wärmeflüsse über großen Regionen mehrere Hundert Watt pro Quadratmeter betragen. Das bedeutet, dass solche Strömungsregime von großer Wichtigkeit für die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Ozean sind. Dies betrifft beide Hemisphären, denn Kaltluftausbrüche ereignen sich in der Arktis und Antarktis. Typische Regionen für arktische Kaltluftausbrüche sind die Framstraße und die Barentssee.

Die Abbildung zeigt einen Kaltluftausbruch mit Konvektionsrollen über der Framstraße, der durch ein Tiefdruckgebiet über Svalbard ausgelöst wird.

Auch in den inneren Polarregionen ist die Meereisdecke nie ganz geschlossen und es gibt immer Kanäle mit offenem Wasser oder mit dünnem Neueis, so dass die Eisüberdeckung bei einer Fläche von 200 km x 200 km oft grösser als 98% aber kleiner als 100% ist. Diese Kanäle und kleine, seeartige Polynien werden durch die divergierende Meereisdrift verursacht. Die typische Breite der Kanäle reicht von Metern (Risse) bis hin zu mehreren Kilometern, aber ihre Länge kann sich bis zu Hunderten von Kilometern erstrecken.