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Klimawandel:Arktische Farbenlehre

Weil dunkles, stehendes Wasser mehr Sonnenstrahlung aufnimmt als Eis, wirkt es in Polarregionen wie Heizkörper auf das Klima.

(Foto: Stefan Hendricks, Alfred-Wegener-Institut)

Dunkles Blau in Schmelztümpeln und schwarze Ruß-Emissionen beschleunigen den Rückgang des Meereises rund um den Nordpol. Beides hat dazu beigetragen, dass 2012 in der Hitliste der zehn wärmsten Jahre gelandet ist.

Die Farbe hätte man in der Arktis nicht unbedingt erwartet. "Verführerisches Karibik-Meerblau", nennt das Alfred-Wegener-Institut (AWI) in Bremerhaven den Ton, in dem Schmelzwassertümpel auf Schollen des Packeises schimmern. Marcel Nicolaus, Meereisphysiker am Institut, war bei einer Reise des Forschungsschiffs Polarstern in die Polarregion sogar baden, die Sonnenbrille lässig ins Haar geschoben. Auf den Überlebensanzug und die Handschuhe hat der Wissenschaftler jedoch nicht verzichtet, als er in einen der Tümpel watete, eine Metallstange zur Tiefenmessung in den Händen - das Wasser ist zwar flüssig, aber doch nahe am Gefrierpunkt.

Farben, die dunkler sind als weiß, sind generell keine gute Nachricht für die Arktis. Sie führen schließlich dazu, dass die ohnehin schon gefährdete Eisdecke mehr Wärme aus dem Sonnenlicht absorbiert als sonst. Die Forscher um Nicolaus haben diese Vorgänge nun im Detail studiert.

Blick vom ROV während einer Tauchfahrt durch deformiertes Meereis

Der Tauchroboter des AWI zeigt einen Blick durch deformiertes Meereis. Die Länge der Markierungsstangen beträgt einen Meter. Hellere Stellen deuten auf dünnes Eis hin, das mit Schmelztümpeln bedeckt ist.

(Foto: Alfred-Wegener-Institut)

"Die Farbe hängt ganz davon ab, wie dick das verbleibende Eis unter dem Tümpel ist", sagt er. "Tümpel auf dickerem Eis sind eher türkis, jene auf dünnem Eis dunkelblau bis schwarz." Dann haben sie die Farbe von Ruß, der in den industriellen Zentren Europas, Amerikas und Asiens entsteht und sich auf dem Eis niederschlägt. Auch er beschleunigt das Abschmelzen der Polkappe und heizt generell das Klima auf. Einer neuen Studie zufolge sind die Ruß-Emissionen von Dieselfahrzeugen und Kochfeuern falsch eingeschätzt worden. Zum Teil wirken sie fast dreimal so stark wie bisher angenommen.

Zehntwärmstes Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen

Dem Blau und Schwarz in der Arktis entspricht auf globalem Maßstab rosa bis rot, das auf Weltkarten die Erwärmung des Planeten anzeigt. Die amerikanischen Wetterbehörde Noaa hat soeben ihre Bilanz für 2012 vorgelegt. Es war demnach das zehntwärmste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen. Ein kühler Start hat den Zahlen zufolge einen Rang unter den Top-Fünf verhindert, obwohl sich alle Monate von April bis November dort platziert haben. Die Weltraumbehörde Nasa, deren Goddard-Institut eine unabhängige Auswertung der Temperaturmessungen macht, bescheinigt dem abgelaufenen Jahr sogar Rang Neun.

Luftaufnahme arbeitender Polarforscher in der Arktis

Die Polarforscher in der Arktis arbeiten auf Eisschollen. Die Meereisphysiker haben ein Zelt errichtet, von dem aus sie den Tauchroboter unter dem Eis steuern.

(Foto: Stefan Hendricks, Alfred-Wegener-Institut)

Von den zehn wärmsten Jahren, die jemals gemessen wurden, lag nur 1998 im 20. Jahrhundert - und alle anderen im neuen Jahrtausend "Die Zahlen eines Jahres allein sind zwar nicht entscheidend", sagt Gavin Schmidt vom Goddard-Institut. "Aber diese Dekade war wärmer als die vorige und die wiederum wärmer als die davor." Der langfristige Trend zeigt sich auch in den Auswertungen des britischen Met Office und der japanischen Wetteragentur. Die Kurven unterscheiden sich wegen Besonderheiten der Analyse in Details, haben aber den gleichen Trend: Die Welt wird immer wärmer.

Zu den Ursachen gehören auch Ruß und Schmelzwassertümpel, über die Klimaforscher soeben neue Daten veröffentlicht haben. Das Team um Marcel Nicolaus konnte das Wasser auf den Schollen im Sommer 2011 nicht nur von oben, sondern auch von unten untersuchen. Die AWI-Wissenschaftler haben den mit einem 300-Meter-Kabel ferngesteuerten Tauchroboter Alfred unter das Eis geschickt, um an 6000 Punkten das Licht zu messen, das hindurch dringt. Dünnes einjähriges Eis, das inzwischen mehr als die Hälfte der Fläche einnimmt, lässt elf Prozent passieren, dickeres mehrjähriges Eis dagegen nur vier Prozent.

Ruß und Schmelzwassertümpel spielen eine wichtige Rolle

Noch wichtiger ist der Unterschied in der Absorption der Strahlung: Das mehrjährige Eis nimmt 34 Prozent der Energie auf, das einjährige 52 Prozent. Beide Effekte zusammen bewirken, dass im Sommer eine junge, dünne Eisschicht insgesamt nur ein gutes Drittel des eingestrahlten Lichts ins All zurückwirft; bei mehrjährigen Eis sind es knapp zwei Drittel. Eine im Frühling vollständig mit frischem Schnee bedeckte Scholle kann bis zu 90 Prozent des Lichts reflektieren (Geophysical Research Letters, Bd. 39, L24501, 2012).

Wie das Eis der Arktis das Licht reflektiert

Die dunkleren Schmelztümpel lassen mehr Sonnenlicht durch, so dass der Lebensraum darunter heller und wärmer wird. Auch reflektieren die dunkleren Flächen weniger Licht in die Atmosphäre zurück.

(Foto: Marcel Nicolaus/Yves Nowak, Alfred-Wegener-Institut)

Ein wichtiger Faktor dabei sind offenbar Schmelztümpel. Sie haben auf einjährigen Eis nicht nur eine dunklere Farbe, sondern nehmen auch eine größere Fläche ein. Alte Schollen, wenn man sie findet, sind zu 23 Prozent mit Wasser bedeckt, junge zu 42 Prozent. Auch hier setzt inzwischen ein sich selbst beschleunigender Prozess ein. Die Pfützen bilden sich auf einjährigem Eis mit seiner glatten Oberfläche leichter. "Sie erlaubt es dem Schmelzwasser, sich weit zu verteilen und ein Netz aus vielen Tümpeln zu bilden", sagt Nicolaus. Die "Fenster zum Ozean", so werden die Wasseransammlungen auch genannt, stehen weit offen. Die Wärme, die sie ins Meer leiten, verteilt sich über die Welt.

Daher sind die arktischen Schmelztümpel ein globales Problem wie der Ruß. Ein Team von 31 Forschern aus neun Ländern hat sich daran gemacht, eine neue Einschätzung dieser schwarzen Partikel aus nicht vollständig verbrannten Material zu erstellen; es wurde ein Bericht von 232 Seiten (Journal of Geophysical Research: Atmospheres, online). Schon die Länge zeigt, dass es ein kompliziertes Thema ist - vor allem, weil bei der Verbrennung viele andere Chemikalien ausgeschieden werden. Die meisten schaden der Gesundheit, aber manche kühlen auch das Klima, wie zum Beispiel Schwefelverbindungen. Und was andere Moleküle in den Wolken machen, ist noch weitgehend offen.

Ruß der zweitwichtigste Antrieb für den Klimawandel

Ruß allein, da sind sich die Forscher immerhin sicher, ist nach ihrer Neuberechnung der zweitwichtigsten Antrieb für den Klimawandel, nach CO2, aber jetzt vor Methan. Manche Klimamodelle unterschätzen den Effekt des Rußes demnach um einen Faktor von 2,9. Individuelle Partikel schweben nur für Tage bis Wochen in der Atmosphäre und absorbieren und speichern hier Wärme. Aber währenddessen wird ständig neuer Ruß produziert. In Europa sowie Nord- und Südamerika kommt er zu 70 Prozent aus Dieselfahrzeugen, im Rest der Welt zu einem ähnlichen Anteil aus Kochfeuern mit Biomasse.

In diesen beiden Fällen sind die Abgase eindeutig klimaschädlich - schon wenn es nur um Rußpartikel und andere Nebenprodukte der Verbrennung geht, und noch nicht um CO2. "Wenn wir die Ruß-Emissionen von Dieselmotoren und Kohle- und Holzfeuern in Wohnhäusern reduzieren, hat das Vorteile für die Gesundheit und das Klima", zitiert die BBC einen der Autoren des Reports, Piers Forster von der Universität Leeds. "Wir könnten uns so ein halbes Grad weniger Erwärmung erkaufen oder einige Jahrzehnte Atempause."