Schmelzwasser beeinflusst die Wolkenbildung in der Arktis

Wolken in der Arktis entscheiden mit darüber, wie viel Wärme in der Atmosphäre bleibt und wie viel ins All entweicht. Ihre Wirkung reicht weit über den Polarkreis hinaus, denn Luftströmungen verbinden die Arktis mit Europa. Veränderungen dort können ganze Wetterlagen verschieben und Prognosen unsicher machen.

Im Journal Geophysical Research Letters erschien nun eine neue Untersuchung der Colorado State University. Sie beschäftigt sich mit einem Detail, das lange kaum beachtet wurde: Flache Schmelzwassertümpel, die sich im Sommer auf dem arktischen Meereis bilden. In diesen Gewässern sammeln sich winzige Teilchen, an denen Wasserdampf in der Luft gefrieren kann. Gelangen die Partikel aus dem Schmelzwasser nach oben, können sie die Entstehung arktischer Wolken beeinflussen.

Wie Schmelzwasser die Wolkenbildung in der Arktis verändert

Wolken bestehen aus winzigen Wassertröpfchen oder Eiskristallen. Damit aus Wasserdampf Eis wird, braucht es jedoch eine Art „Startpunkt“. Fachleute sprechen hier von eisbildenden Partikeln. Ohne sie bleibt Wasser länger flüssig – auch bei Minusgraden.

Die untersuchten Partikel aus den Schmelzwassertümpeln werden bereits bei Temperaturen um minus 10 Grad Celsius aktiv. Für diesen Prozess gilt das als vergleichsweise mild, denn viele andere Partikel brauchen deutlich niedrigere Temperaturen.

Im Vergleich zu Meerwasser gibt es einen deutlichen Unterschied: In den meisten Schmelzwasserproben lag die Menge dieser Partikel etwa zehnmal höher als im Meer. Erst bei rund minus 25 Grad nähern sich die Werte an. Das spricht dafür, dass die Tümpel selbst eine Quelle sind und nicht nur Material aus dem Ozean aufnehmen.

Schmelzwasser gibt Partikel direkt an die Luft ab

Die Teilchen bleiben nicht einfach im Wasser zurück. Ein Teil steigt auf und mischt sich in die Luft über dem Eis. An den Messungen lässt sich erkennen, wie nah dieser Vorgang an der Oberfläche stattfindet: In etwa einem Meter Höhe wurden deutlich mehr dieser Partikel erfasst als weiter oben in rund 15 Metern. Vieles spricht also dafür, dass ihre Quelle direkt auf dem Eis liegt.

Auch die Herkunft der Luftmassen passt zu diesem Bild. Luft, die längere Zeit über offenes Meer gezogen war, enthielt nicht automatisch mehr solcher Teilchen, während sie über dem Packeis häufiger nachgewiesen wurden. Die Schmelzwassertümpel liefern also selbst einen großen Teil der Partikel.

Was in den Schmelztümpeln passiert

Die Tümpel entstehen aus geschmolzenem Schnee und Eis. Sie wirken unscheinbar, sind aber alles andere als reines Wasser. In ihnen leben Mikroorganismen, und abgestorbene Zellen zerfallen. Dabei sammeln sich organische Reste und gelartige Stoffe, die das Wasser messbar verändern.

Ein möglicher Transportweg führt über aufsteigende Blasen. Sie entstehen durch Wind, durch Gase aus biologischen Prozessen oder durch Luft, die beim Schmelzen aus dem Eis entweicht. Platzen diese Blasen an der Oberfläche, reißen sie winzige Tröpfchen mit nach oben. In ihnen befinden sich die Partikel, die später in der Atmosphäre nachgewiesen werden.

Kleine Veränderungen beeinflussen die Luft

Auffällig ist die Form dieser Teilchen. Es handelt sich meist nicht um ganze Zellen, sondern um kleine Bruchstücke oder schleimartige Substanzen. Sie sind leicht genug, um aus dem Wasser herausgelöst zu werden und in die Luft zu gelangen.

Rund um das deutsche Forschungsschiff „Polarstern“, das während der internationalen Arktis-Expedition MOSAiC ein Jahr lang im Packeis trieb, veränderten sich die Bedingungen innerhalb weniger Tage. Der Anteil der Schmelztümpel ging in dieser Zeit um etwa 15 Prozent zurück. In derselben Phase fehlten in einer Luftprobe die Partikel, die schon bei vergleichsweise milden Minusgraden aktiv sind.

Ähnlich sieht es zu einem späteren Zeitpunkt aus. Luftmassen kamen dort stärker vom offenen Wasser, jedoch wurden kaum solche Partikel nachgewiesen. Die Tümpel auf dem Eis sind damit wahrscheinlich die Hauptquelle.

Die Atmosphärenforscherinnen Camille Mavis (links) und Jessie Creamean untersuchen Proben, um den Einfluss eisbildender Partikel auf das Klima in der Arktis zu analysieren. © Colorado State University

Mehr Schmelze verändert die Bedingungen

Die Arktis erwärmt sich schneller als andere Regionen – laut der Studie bis zu viermal schneller als der Rest der Welt. Dadurch verändert sich auch die Oberfläche des Meereises. Schmelzwasserflächen entstehen früher im Jahr und bleiben länger bestehen.

Mit jeder zusätzlichen Schmelzphase wachsen diese Tümpel und damit auch die Flächen, aus denen solche Partikel freigesetzt werden können. Die Prozesse laufen über einen längeren Zeitraum ab. Das macht es wahrscheinlicher, dass mehr dieser Teilchen in die Luft gelangen und sich auf die Wolkenbildung auswirken.

Warum die Vorhersage von Wolken schwierig bleibt

Wolken gehören zu den kompliziertesten Elementen im Klimasystem. Ihre Eigenschaften hängen von vielen Faktoren ab, darunter Temperatur, Feuchtigkeit und die vorhandenen Partikel in der Luft.

„Unsere aktuellen Modelle bilden diese Wolken derzeit nicht gut nach, vor allem in den Polarregionen“, erklärt die Forscherin Camille Mavis. Das liegt vor allem an fehlenden Daten zu solchen lokalen Quellen.

Was die Ergebnisse für Europa bedeuten

Die Arktis beeinflusst die Zirkulation der Atmosphäre. Veränderungen dort wirken sich auch auf mittlere Breiten aus. Europa liegt in diesem Einflussbereich. Deshalb spielen solche Details eine größere Rolle, als es zunächst erscheint.

Die Erkenntnisse aus der Studie führen demnach zu:

genauerer Einschätzung von Wetterlagen
besserer Grundlage für Klimamodelle
stabilerer Planung in Landwirtschaft und Energie

Kurz zusammengefasst:

Schmelzwassertümpel auf arktischem Meereis enthalten besonders viele eisbildende Partikel, die schon bei etwa −10 Grad Celsius aktiv sind und damit die Bildung von Wolken beeinflussen.
Diese Partikel gelangen aus dem Wasser direkt in die Luft, vor allem nahe der Eisoberfläche, und treten über dem Packeis deutlich häufiger auf als über offenem Meer.
Mit zunehmender Erwärmung entstehen mehr solcher Tümpel und wirken länger, wodurch sich die Eigenschaften arktischer Wolken verändern können – mit Folgen für Wetter, Klimamodelle und auch Europa.

Übrigens: Während in der Arktis winzige Partikel aus Schmelzwasser die Wolkenbildung verändern, gerät in der Antarktis ein ganz anderer Schutzmechanismus ins Wanken – dort steigt Wärme von unten auf und greift das Eis direkt an. Mehr dazu in unserem Artikel.