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ETH-Forscher ergründen extreme Wärmeeinbrüche in der Arktis

Die arktischen Winter der letzten Jahre waren aussergewöhnlich warm. Nun fanden ETH-Forscher die Gründe. Sie überraschen.

Eisausdehnung im Negativtrend: Gebrochene Schollen im Eismeer vor Ellesmere Island, Kanada. Foto: Mario Tama (Getty )
Eisausdehnung im Negativtrend: Gebrochene Schollen im Eismeer vor Ellesmere Island, Kanada. Foto: Mario Tama (Getty )

Eis und Kälte – so stellt man sich den arktischen Winter vor. Doch in den letzten Jahren gehen immer wieder Bilder um die Welt, die aufgelockertes Meereis zeigen und eisfreie Zonen der Arktischen See. Satelliten messen in allen Jahres­zeiten einen Trend zu geringeren Eisflächen. Und manchmal gibt es Jahre, in denen das Ausmass der Eisschmelze ­besonders gross ist.

Schlagzeilen machte der Winter 2015/16 mit einem aussergewöhnlichen Wärmeeinbruch in der arktischen Region. Messbojen registrierten am Nordpol mit minus 0,8 Grad eine maximale Oberflächentemperatur knapp am Nullpunkt, am Flughafen von Svalbard auf Spitzbergen wurden 8,7 Grad gemessen. Noch nie war es so warm zwischen November und April, seit Wissenschaftler 1979 mit systematischen Temperaturmessungen begannen.

Wie konnte es zu einem solchen Extremereignis kommen? Bisher erklärten Wissenschaftler das Phänomen mit Frank, der als einer der stärksten je gemessenen Stürme im Nordatlantik über Island fegte und warme Feuchtluft brachte. Andere machten warme, feuchte Luft aus der nahen Nordsee für den Wärmeeinbruch verantwortlich.

Autobahn der Luftmassen

«Die verschiedenen Interpretationen zeigen, dass die Prozesse noch nicht vollständig verstanden sind», schreibt nun Hanin Binder in der Fachzeitschrift «Geophysical Research Letter». Die Forscherin am Institut für Atmosphäre und Klima der ETH Zürich ist die Hauptautorin einer Studie, die unter anderem ­anhand von Temperatur-, Druck- und Winddaten erklärt, was in jenen Wintertagen über der Arktis passiert ist: Zwischen Tiefdruckgebieten über dem Nordatlantik und einem langlebigen Hoch über Skandinavien bildete sich ein Strom, der aus drei verschiedenen ­Regionen Luftmassen ansog und diese in die Arktis führte – ähnlich wie eine Autobahn mit drei Einfahrten.

Dieser Knotenpunkt lag über der Nordsee zwischen Schottland und Südnorwegen: Der eine Luftstrom stammte aus dem Süden; auf 20 Grad in der Sahara aufgewärmt, erreichte er den Highway im Norden immer noch mit über null Grad. «Es kommt nur selten vor, dass warme Subtropenluft bodennah bis in die Arktis transportiert wird», sagt Binder.

Wenige warme Tage reichten aus, um das Meereis um mehr als 30 Zentimeter auszudünnen.

Der Ursprung des zweiten Luftstromes war laut den Autoren überraschend. Er lag in der Arktis selbst. Die kalte Luft bewegte sich in einem weiten Bogen um das Tiefdruckgebiet nach Süden, wärmte sich über dem wärmeren Atlantik auf und vereinte sich schliesslich mit der sub­tropischen Luft beim Knotenpunkt. Die dritte, sehr kalte Luftmasse bewegte sich in fünf Kilometer Höhe von Westen nach Osten und sank im Hochdruck­gebiet über Skandinavien ab, erwärmte sich dabei und bog dann ebenfalls in die Autobahn ein.

Diese ungewöhnliche Grosswetterlage dauerte etwa eine Woche, dann war der Wärmeeinbruch vorbei, und die Arktis kühlte wie gewohnt wieder ab. Die wenigen für diese Region extrem warmen Tage zwischen dem 29. Dezember und dem 4. Januar reichten aus, um das Meereis in der Barents- und der Karasee um mehr als 30 Zentimeter auszudünnen. Sie trugen dazu bei, dass die Meereisfläche im Januar und Februar 2016 ein Rekordminimum erreichte. Die ­Atmosphärenforscherin Hanin Binder schlägt weitere Studien vor, um den ­Anteil des seit langem gemessenen ­Erwärmungstrends in den polaren ­Gebieten bei solchen Extremereignissen abschätzen zu können.

Bei starkem Hoch schmilzt Eis

Wissenschaftler messen die Eisausdehnung mithilfe von Satelliten seit 1979. Arktisches Meereis pulsiert, im Winter wächst es, im Sommer schmilzt es. Normalerweise ist dieses Geben und Nehmen im Gleichgewicht. Doch seit bald 30 Jahren ist dies nicht mehr der Fall.

Was im Winter in der Arktis nicht an Eis gebildet wird, fehlt umso mehr in den Sommermonaten – und umgekehrt. Die minimale Eisfläche im arktischen Sommer nimmt seit Jahrzehnten ab. In gewissen Jahren schmilzt besonders viel Meereis weg. Zum Beispiel am Ende der Sommer 2007 und 2012.

Grafik: Eisfläche im arktischen Meer

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Eine neue ETH-Studie, die eben in der Fachzeitschrift «Nature Geoscience» veröffentlicht wurde, zeigt auf, warum es auch im Sommer zu aussergewöhnlich starkem Eisschmelzen kommen kann. Verantwortlich sind langlebige, ausgedehnte Hochdruckgebiete, die über der Arktis verharren und sich kaum bewegen. Das führt zu klaren, wolkenlosen Tagen.

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«Es ist dann neben anderen Faktoren vor allem die starke Sonneneinstrahlung, die den Eisabbau erhöht und beschleunigt», sagt Heini Wernli, Erstautor und Professor am Institut für Atmosphäre und Klima an der ETH Zürich. Die Wissenschaftler fanden anhand von Daten der Atmosphäre und des Meereisvolumens von 1979 bis 2016 heraus, dass das Eis extrem stark schmelzen kann, wenn während der Sommermonate arktische Hochdruckgebiete entstehen. «Während solchen Hochs wird das Meereis täglich um 9 Kubikkilometer abgebaut», sagt Wernli. Das ist dreimal mehr als im Normalfall.

Der Motor ist der Jetstream

Solche Ereignisse finden allerdings nicht regelmässig statt, sondern episodisch. Beispielsweise in den Sommern 2007 und 2012 jeweils dreimal, wobei jedes Hochdruckgebiet etwa während zehn Tagen zu einem starken Eisabbau führte.

Der Ursprung der Hochs liegt allerdings nicht in der Arktis. Der Motor ist das Windband, das in den gemässigten Breiten in rund 8 Kilometer Höhe von Westen nach Osten fliesst. Dieser Jetstream strömt wellenförmig um den Globus. Und manchmal reicht eine brechende Welle bis in die Arktis, und die eindringenden Luftmassen bilden ein lang anhaltendes Hoch. «Es ist eine Überraschung, dass die atmosphärische Dynamik in unseren Breiten verantwortlich ist für die Hochdruckgebiete in der Arktis», sagt ETH-Atmosphärenforscher Heini Wernli.

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