Wissenschaftlern des Alfred-Wegener-Institutes (AWI) und der Universität Hamburg ist es gelungen, die Entstehung von größeren Rinnen im Arktischen Meereis in einem Computermodell realistisch zu simulieren. Ausschlaggebend für diesen Erfolg waren zwei Herangehensweisen: Die Forscher hatten zum einen die räumliche Auflösung des AWI-Meereis-Ozeanmodells FESOM erhöht. Zum anderen konnten sie die numerische Lösung der Gleichungen so verbessern, dass die Simulation der Rinnenbildung dem Vergleich mit realen Meereis-Satellitendaten sehr gut standhielt. Von diesem Erfolg berichten sie in einer Studie, welche online im Fachmagazin Geophysical Research Letters erschienen ist.
Das arktische Meereis bedeckt im Winter eine Fläche von 14 bis 16 Millionen Quadratkilometer und bildet eine relativ dünne „Haut“ zwischen dem Ozean und der Atmosphäre. Wie viel Wärme und Stoffe zwischen Ozean und Atmosphäre ausgetauscht werden, hängt im Wesentlichen vom Anteil der Risse und Rinnen im Meereis ab. Selbst in kalten Wintern bilden sich durch Wind und Strömungen immer wieder offene Rinnen, die zwar nur eine geringe Gesamtfläche einnehmen, dennoch aber für den Großteil des Eiswachstums verantwortlich sind.
Obwohl Rinnen im Meereis offensichtlich eine entscheidende Rolle im arktischen Klimasystem spielen, ist es Wissenschaftlern erst jetzt gelungen, ihre Entstehung mit Computermodellen realistisch zu simulieren. Zwei Faktoren haben zu diesem entscheidenden Durchbruch geführt: Zum einen haben die Wissenschaftler um AWI-Klimamodellierer Qiang Wang für die Simulation die Auflösung des globalen AWI-Meereismodells FESOM (Finite Element Sea-ice Ocean Model) in der Arktis von 111 Kilometer auf etwa 4 Kilometer pro Gitterpunkt erhöht. Zum anderen haben sie es geschafft, die numerische Methode zur Lösung der mathematischen Gleichungen zu verbessern. „Die neuen Ergebnisse sind ein Meilenstein für die Klimaforschung und belegen, dass sich mit Hilfe leistungsfähiger Computer und physikalischer Modelle die Natur immer besser verstehen lässt“, sagt Meereis-Spezialist und Co-Autor Lars Kaleschke von der Universität Hamburg.
Um die Genauigkeit ihrer Simulation zu überprüfen, verglichen die Forscher ihre Simulationsdaten für die Beaufortsee, die Karasee, die Laptewsee und die Framstraße mit echten Meereis-Satellitendaten aus diesen Regionen: „Die mit unserem verbesserten Meereismodell vorhergesagten Rinnen stimmen sehr gut mit den Satellitenmessungen überein. Außerdem bestätigt das Ergebnis die dem Computermodell zugrundeliegende physikalische Theorie zur Beschreibung der Beziehung zwischen einwirkenden Kräften und der Verformung des Meereises“, sagt AWI-Experte Prof. Dr. Thomas Jung.
Die Wissenschaftler hatten ihrer Arbeit eine vielfach verwendeten Theorie zugrunde gelegt, welche die Materialeigenschaften des Meereises als elastisch-viskos-plastisches Medium beschreibt. Sie war in den zurückliegenden Jahren häufiger in Frage gestellt worden. Aber: „Die neuen Ergebnisse zeigen, dass die ältere Theorie die Meereisphysik gültig bleibt, wenn die Rechnung mit hoher Genauigkeit durchgeführt wird“, sagt Lars Kaleschke.
Aufbauend auf den neuen Erkenntnissen können die Wissenschaftler nun beginnen, genauere Simulationen für die Wärme- und Stoffflüsse in der Arktis zu entwickeln. Das verbesserte AWI-Meereis-Ozeanmodell verspricht zudem jede Menge Anwendungsoptionen für verbesserte Klimaprojektionen, Wettervorhersagen und praxisorientierte maritime Fragestellungen.
Die Studie ist unter folgendem Titel frei zugänglich im Onlineportal des Fachmagazins Geophysical Research Letters erschienen:
Q. Wang, S. Danilov, T. Jung, L. Kaleschke, A. Wernecke: Sea ice leads in the Arctic Ocean: Model assessment, interannual variability and trends, DOI: 10.1002/2016GL068696
Wie genau das AWI-Meereismodell FESOM die Eisrinnen darstellt, zeigt diese Modell-Simulation der arktischen Meereisdecke aus den Jahren 2005 bis 2014.