Forscher haben extrem hohe Schmelzraten am Boden des grönländischen Eisschildes beobachtet, die durch riesige Mengen an Schmelzwasser verursacht werden, die von der Oberfläche auf den Boden fallen. Beim Fallen des Schmelzwassers wird Energie in Wärme umgewandelt, ähnlich wie bei der Erzeugung von Wasserkraft durch große Staudämme.
Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung der Universität Cambridge hat herausgefunden, dass die Wirkung des Schmelzwassers, das von der Oberfläche des Eisschildes bis zum Boden – einen Kilometer oder mehr darunter – abfließt, die bei weitem größte Wärmequelle unter dem zweitgrößten Eisschild der Welt ist und zu phänomenal hohen Schmelzraten an seiner Basis führt.
Die Schmierwirkung des Schmelzwassers hat einen starken Einfluss auf die Bewegung der Gletscher und die Menge des in den Ozean fließenden Eises, aber die direkte Messung der Bedingungen unter einem Kilometer Eis ist eine Herausforderung, insbesondere in Grönland, wo die Gletscher zu den sich am schnellsten bewegenden der Welt gehören.
Der Mangel an direkten Messungen erschwert das Verständnis des dynamischen Verhaltens des grönländischen Eisschildes und die Vorhersage künftiger Veränderungen. Da die Eisverluste sowohl mit dem Abschmelzen als auch mit dem Abfließen des Eises zusammenhängen, ist der grönländische Eisschild heute der größte Einzelverursacher des globalen Meeresspiegelanstiegs.
In einer Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, hat das von Cambridge geleitete Team nun herausgefunden, dass die Schwerkraftenergie des Schmelzwassers, das sich an der Oberfläche bildet, in Wärme umgewandelt wird, wenn sie durch große Risse im Eis auf die Basis übertragen wird.
Jeden Sommer bilden sich auf der Oberfläche des grönländischen Eisschildes Tausende von Schmelzwasserseen und -bächen, wenn die Temperaturen steigen und die tägliche Sonneneinstrahlung zunimmt. Viele dieser Seen fließen schnell auf den Boden des Eisschildes ab und fallen durch Risse und große Brüche, die sich im Eis bilden. Durch die kontinuierliche Zufuhr von Wasser aus Bächen und Flüssen bleiben die Verbindungen zwischen Oberfläche und Grund oft offen.
Im Rahmen des von der EU finanzierten RESPONDER-Projekts untersucht Professor Poul Christoffersen vom Scott Polar Research Institute in Cambridge diese Schmelzwasserseen, wie und warum sie so schnell abfließen und welche Auswirkungen sie auf das Gesamtverhalten des Eisschilds haben, wenn die globalen Temperaturen weiter steigen.
Die aktuelle Arbeit, an der auch Forscher der Universität Aberystwyth beteiligt sind, ist der Höhepunkt einer siebenjährigen Studie, die sich auf den Store Glacier konzentriert, einen der größten Ausläufer des grönländischen Eisschildes.
“Bei der Untersuchung der Basalschmelze von Eisschilden und Gletschern betrachten wir Wärmequellen wie Reibung, geothermische Energie, latente Wärme, die beim Gefrieren von Wasser freigesetzt wird, und Wärmeverluste in das darüber liegende Eis”, so Christoffersen. “Was wir aber noch nicht wirklich untersucht haben, ist die Wärme, die durch das abfließende Schmelzwasser selbst erzeugt wird. In dem Wasser, das sich an der Oberfläche bildet, ist eine Menge Gravitationsenergie gespeichert, und wenn es fällt, muss diese Energie irgendwo hingehen.”
Zur Messung der Basalschmelzraten setzten die Forscher phasenempfindliche Radiosondierungen ein, eine Technik, die am British Antarctic Survey entwickelt und bereits bei schwimmenden Eisschilden in der Antarktis eingesetzt wurde.
“Wir waren uns nicht sicher, ob die Technik auch auf einem schnell fließenden Gletscher in Grönland funktionieren würde”, so der Erstautor Dr. Tun Jan Young, der das Radarsystem auf dem Store Glacier im Rahmen seiner Doktorarbeit in Cambridge installiert hat. “Im Vergleich zur Antarktis verformt sich das Eis dort sehr schnell und im Sommer gibt es viel Schmelzwasser, was die Arbeit erschwert.
Die mit dem Radar beobachteten Schmelzraten an der Basis waren oft genauso hoch wie die mit einer Wetterstation gemessenen Schmelzraten an der Oberfläche: Die Oberfläche erhält jedoch Energie von der Sonne, die Basis nicht. Um die Ergebnisse zu erklären, schlossen sich die Cambridge-Forscher mit Wissenschaftlern der University of California Santa Cruz und des Geologischen Dienstes von Dänemark und Grönland zusammen.
Die Forscher berechneten, dass im Sommer 2014 täglich bis zu 82 Millionen Kubikmeter Schmelzwasser in das Bett des Store Glacier geleitet wurden. Sie schätzen, dass die durch das fallende Wasser während der Schmelzspitzen erzeugte Leistung mit der Leistung des Drei-Schluchten-Staudamms in China, dem größten Wasserkraftwerk der Welt, vergleichbar war. Mit einem Schmelzgebiet, das sich im Hochsommer auf fast eine Million Quadratkilometer ausdehnt, erzeugt das grönländische Eisschild mehr Wasserkraft als die zehn größten Wasserkraftwerke der Welt zusammen.
“In Anbetracht des Klimawandels, den wir in den hohen Breitengraden beobachten, könnte sich diese Form der Wasserkraft leicht verdoppeln oder verdreifachen, und wir berücksichtigen diese Zahlen noch nicht einmal, wenn wir den Beitrag des Eisschilds zum Anstieg des Meeresspiegels schätzen”, so Christoffersen.
Um die vom Radarsystem aufgezeichneten hohen Schmelzraten an der Basis zu überprüfen, integrierte das Team unabhängige Temperaturmessungen von Sensoren, die in einem nahe gelegenen Bohrloch installiert waren. An der Basis fanden sie eine Wassertemperatur von bis zu +0,88 Grad Celsius, was für eine Eisbasis mit einem Schmelzpunkt von -0,40 Grad unerwartet warm ist.
“Die Bohrlochbeobachtungen haben bestätigt, dass sich das Schmelzwasser erwärmt, wenn es auf den Untergrund trifft”, so Christoffersen. “Der Grund dafür ist, dass das Drainagesystem an der Basis viel weniger effizient ist als die Risse und Kanäle, die das Wasser durch das Eis führen. Die geringere Drainageeffizienz führt zu einer Reibungserwärmung im Wasser selbst. Wenn wir diese Wärmequelle aus unseren Berechnungen herausnehmen, liegen die theoretischen Schmelzratenschätzungen um zwei Größenordnungen daneben. Die durch das fallende Wasser erzeugte Wärme schmilzt das Eis von unten nach oben, und die von uns gemeldete Schmelzrate ist völlig beispiellos”.
Die Studie liefert den ersten konkreten Beweis für einen Mechanismus des Massenverlusts des Eisschilds, der in den Prognosen für den globalen Meeresspiegelanstieg noch nicht berücksichtigt ist. Die hohen Schmelzraten sind zwar spezifisch für die Wärmeentwicklung in den subglazialen Abflusswegen, die Oberflächenwasser führen, doch das Volumen des in Grönland produzierten Oberflächenwassers ist riesig und wächst weiter, und fast alles fließt in den Boden ab.
Die Forschungsarbeiten wurden zum Teil von der Europäischen Union und dem Europäischen Forschungsrat unterstützt.
Datum: Februar 21, 2022
Quelle: Universität von Cambridge
Journal Reference:
- Tun Jan Young et al. Rapid basal melting of the Greenland Ice Sheet from surface meltwater drainage. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022 DOI: 10.1073/pnas.2116036119