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Dynamik von Eisströmen: Neue Verfahren zum Verständnis der Auswirkung von Eisschildstrukturen auf die Gletscherbewegung

Durch die Kombination von Radar-Fernerkundung und physikalischer Glaziologie stellt das EU-finanzierte Projekt BRISRES der Forschung neue Verfahren für eine verbesserte Modellierung des Eisstromes zur Verfügung.

Klimawandel und Umwelt

Für die genaue Strömungsmodellierung der Eisschilde in Grönland und der Antarktis ist es zwingend erforderlich, die stofflichen Eigenschaften von Gletschereis zu verstehen. Eine Möglichkeit hierfür besteht in der genauen Betrachtung der Gesamtausrichtung der Eiskristalle. Diese Ausrichtung wird als „Eisstruktur“ bezeichnet und entsteht durch die kumulative Belastung des Eises über Jahrtausende hinweg. Zusammen mit der Eistemperatur übt die Eisstruktur einen starken Einfluss auf die Viskosität des Gletschereises aus. Im Gegensatz zur Eistemperatur bewirkt die Eisstruktur einen richtungsabhängigen Effekt auf die Eisviskosität. Dieser Effekt wird normalerweise nicht in Eisströmungsmodellen berücksichtigt. Infolgedessen fehlt das Verständnis hinsichtlich seines Gesamteinflusses auf die Eisschildentwicklung und den vorhergesagten Meeresspiegelanstieg. Dies gilt insbesondere für Eisströme: schnell fließende Korridore, die Eis zu den Ozeanen transportieren. Unter Verwendung von Daten, die vom British Antarctic Survey am Rutford-Eisstrom in der Westantarktis gesammelt wurden, entwickelte das durch die Marie Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt BRISRES neue Verfahren, um räumliche Variationen in der Eisstruktur und der Viskosität aufzudecken. „Durch den Vergleich dieser Daten mit Satellitenbeobachtungen der Eisoberflächengeschwindigkeit konnten wir feststellen, wie das mikrostrukturelle Gefüge das großräumige Eisströmungsverhalten beeinflusst“, sagt Tom Jordan, ehemaliger Forschungsstipendiat an der Universität Bristol, der Gasteinrichtung des Projekts. Der Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat zeigte, dass das Gefüge das Eis durch Scherung und Kompression innerhalb des Eisstroms weicher werden lässt und sich dadurch der Eisstrom verbessert.

Einführung neuer Verfahren

Informationen über die Eisstruktur stammen traditionell aus Eiskernproben, die aus dem langsam fließenden Inneren von Eisschilden entnommen wurden. Durch die Untersuchung der Kristallausrichtung können die Forschenden Informationen über den Eisstrom der Vergangenheit und der Gegenwart ableiten. Eine andere Methode bietet der Einsatz geophysikalischer Verfahren, beispielsweise die Radio-Echo-Lotung (Radar). Diese macht sich die Polarisation, also die Schwingungsrichtung der Radiowellen, zunutze. Mit diesem Verfahren können vertikale und laterale Variationen der Eisstruktur gemessen werden, was für das Verständnis des Gesamteinflusses auf die Eisdynamik von grundlegender Bedeutung ist. „Radardaten sind attraktiv, da sie schnell am Boden oder von Flugzeugen aus gesammelt werden können, was eine Kartierung auf kontinentaler Ebene ermöglicht“, erklärt Jordan. „Frühere Verfahren führten jedoch bisweilen zu mehrdeutigen Daten. Zudem ließen sie Messungen nicht in Eisströmungsmodelle mit einfließen.“ BRISRES entwickelte ein neues Verfahren, um Informationen über die Eisstruktur aus polarisierten Radardaten zu extrahieren. Dies geschah auf Basis der Interferometrie, bei der die Wellenphase für präzise Messungen der Kristallausrichtung genutzt wird. Anschließend wurde ein Arbeitsablauf entwickelt, um diese Strukturmessungen unter Berücksichtigung der Richtungsabhängigkeit der Viskosität in Eisströmungsmodelle einzugeben. „Ein Team vor Ort auf einem Eisschild kann nun schnell abschätzen, wie die Viskosität des Eises durch das Gefüge unter ihm beeinflusst wird“, merkt Jordan an. Die Verfahren wurden in langsam fließenden Regionen Grönlands entwickelt. Dort konnten sie anhand von Eiskerndaten getestet und anschließend auf schnell fließende Regionen der Antarktis angewendet werden. „Eine große Überraschung war die Komplexität der Eisstruktur, die im Rutford-Eisstrom beobachtet wurde. Dazu gehörten schnelle Drehungen der Struktur innerhalb der Eissäule, wobei sich die Struktur im tieferen Eis stark von dem in Oberflächennähe unterschied. Das deutet darauf hin, dass ein vereinfachtes vertikales Modell die relevanten stofflichen Eigenschaften des Eises nicht erfassen kann“, meint Jordan.

Verbesserte Eisströmungsmodelle

Durch die Begrenzung der Eisviskosität ermöglichen die BRISRES-Verfahren genauere Eisströmungsmodelle. Darüber hinaus wird ein eingehenderes Verständnis der dynamisch kritischen Regionen der Eisschilde, wie z. B. der Eisströme, der Forschung helfen, die Stabilität des Eisschildes zu ergründen, was letztendlich den Strategien zur Eindämmung des Meeresspiegelanstiegs zugutekommt. Die BRISRES-Verfahren wurden bereits von der Glaziologie-Forschung übernommen, unter anderem von einem Team, das einen der instabilsten Gletscher in der Westantarktis – den Thwaites-Gletscher – untersucht.

Schlüsselbegriffe

BRISRES, Eisstrom, Eisstruktur, Kern, Eisschild, Antarktis, Grönland, Meeresspiegelanstieg, Eiskristall, Eisviskosität

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