Polartalk #21: Die Arktis – Energiebilanz eines auftauenden Kühlschranks

Die Polkappen lassen sich mit einem Kühlschrank vergleichen – durch die Abstrahlung ins All wird ihnen ständig Energie entzogen, die durch Wärme aus den niedrigeren Breitengraden wieder aufgefüllt wird. Schon ein geringes Ungleichgewicht zwischen diesen Energieflüssen reicht aus, um Eisschmelze oder Vereisung zu verursachen. In den letzten 20 Jahren hat sich das globale Beobachtungssystem so weit verbessert, dass sich die Energieflüsse ins All sowie innerhalb der Atmosphäre und der Ozeane quantifizieren lassen.

Der Energieerhaltungssatz stellt für dynamische Systeme, einschließlich der Arktis, eine wichtige Beschränkung dar. Wenn mehr Energie in das Arktische System einfließt als aus ihm austritt, wird die zusätzliche Energie größtenteils zur Erwärmung des Ozeans und – insbesondere in den Polarregionen – auch zum Abschmelzen von Eis sowohl auf dem Meer als auch an Land verwendet. Die Menge an geschmolzenem Eis pro Jahr, die in der Arktis mehr als 500 Gigatonnen beträgt, ist relativ gut bekannt. Das Abschmelzen wird durch ein geringes, aber anhaltendes Ungleichgewicht in der Energiebilanz verursacht. Es betrug in der Arktis in den letzten 20 Jahren im Durchschnitt nur etwa 0,7 Watt pro Quadratmeter (W/m²), nahm über die Zeit jedoch zu. Davon flossen etwa 0,4 W/m² in die Erwärmung des Ozeans und etwa 0,3 W/m² in das Abschmelzen des Eises. Das polare Ungleichgewicht ist nicht größer als in den Ozeanen näher am Äquator, wo die Energie ausschließlich in die Erwärmung des Ozeans fließt (Mayer et al. 2019).

Bei Kaltlufteinbrüchen aus schneebedeckten oder vereisten Gebieten über Kanada (in der obigen Abbildung links), der nördlichen Davis Straße (oben links) oder Grönland (Abbildung Mitte) in die vergleichsweisen warmen offenen Gewässer des Atlantiks treten starke vertikale Energieflüsse F_S (bis zu 2000 W/m², das entspricht einer voll aufgedrehten Elektroherdplatte pro Quadratmeter) aus dem Ozean über weiten Gebieten auf. Der starke feuchte Energiefluss destabilisiert die Kaltluft darüber, was zur Bildung konvektiver Wolkenstraßen führt. Im abgebildeten subpolaren Tiefdruckgebiet wird die kalte Luft horizontal vorwiegend nach Süden transportiert und erwärmte, feuchte Luft nach Norden, was einen Netto-Energiefluss F_A nach Norden bewirkt.

Die Flüsse F_S und F_A sind Teile des gekoppelten atmosphärischen, ozeanischen und cryosphärischen Energiehaushalts des polaren Klimasystems (siehe Bild), der sich im Jahresmittel vereinfacht wie folgt schreiben lässt:

Rad_TOA−AET−∇⋅F_A=OHCT+∇⋅F_O+MET+R

RadTOA ist die Strahlung an der Obergrenze der Atmosphäre, AET ist die Erwärmungsrate der Atmosphäre, ∇⋅F_A ist der horizontale Nettoenergieabfluss aus der Arktis (in der Regel negativ), OHCT ist die Erwärmungsrate des Ozeans, ∇⋅F_O ist der horizontale Nettoenergieabfluss aus dem Ozean aus der Arktis, MET ist die Schmelzrate des Eises und R ist ein Restterm, der nicht berücksichtigte Prozesse oder Datenfehler erfasst. Die einzelnen Flüsse, die sich ausgleichen sollten, ca. 115 W/m² abgehende Nettostrahlung an der Obergrenze der Atmosphäre, sind um mehrere Größenordnungen größer als die Schmelzrate. Der Netto-Oberflächenenergiefluss FS (siehe Abbildung) aus der Atmosphäre in den Ozean ist sehr relevant, hebt sich jedoch auf, wenn man Atmosphäre und Ozean summiert.

Es ist äußerst wichtig, alle Komponenten der arktischen Energiebilanz anhand von beobachtungsnahen Datenquellen, wie gitterbasierten Satellitenstrahlungsprodukten (z. B. CERES), sowie sogenannten Klimareanalysen der Atmosphäre und des Ozeans (ERA5 oder GREP) zu quantifizieren. Die Reanalysen bilden nahezu alle verfügbaren, unregelmäßig auftretenden Beobachtungen (wie Satellitendaten, Radiosonden, Bojen und schwimmende Bojen, die bis in 2000 m Meerestiefe tauchen) auf optimale Weise auf ein Computermodellgitter ab. Aus diesen Daten berechnete Flüsse lassen sich mit Flüssen aus Modellen vergleichen, die für Klimaprognosen verwendet werden.

Damit der Ozean warm bleibt, muss seine Energie auch aus den niedrigeren Breitengraden nachgespeist werden, wo er vor allem durch direkte Sonneneinstrahlung in den Subtropen erwärmt wird. Dank des erheblich verbesserten Meeresbeobachtungssystems lassen sich die lateralen Meeresströmungen nun entlang beliebiger Schnitte quantifizieren, insbesondere jedoch in subarktischen und arktischen Meerengen (Winkelbauer et al. 2025). Ergebnisse aus diesen beobachtungsnahen Datenprodukten deuten darauf hin, dass sich der Energie-Transport nach Norden aufgrund der Atlantischen Meridionalen Umwälzströmung verlangsamt (AMOC, Rahmstorf, 2024), wie es von mehreren der ausgefeiltesten Klimamodelle vorhergesagt wurde.

Der Oberflächenenergiefluss F_s, der in der Atmosphäre indirekt wie folgt geschätzt werden kann,

F_s= Rad_TOA−AET−∇⋅F_A

zeigt zudem interessante Anzeichen einer Abschwächung über der subarktischen Irminger See (südlich von Grönland) und südlich davon (siehe Abbildung unten). Eine solche Abschwächung ist bei einer Abschwächung der AMOC zu erwarten und stünde auch im Einklang mit einer von Klimamodellen vorhergesagten verminderten Tiefenkonvektion bis hinunter zum Meeresboden.

Die Grafik oben zeigt den linearen Trend des indirekt geschätzten Netto-Energieflusses an der Meeresoberfläche F_s über dem Nordatlantik und den angrenzenden polaren Ozeanen in den Monaten Oktober bis Dezember im Zeitraum 1985–2019. Der Fluss ist im Winter vorwiegend negativ (d.h. aus dem Ozean heraus). Ein positiver Trend entspricht einer Abschwächung des Flusses über dem subpolaren Nordatlantik.

Sollte die Tiefenkonvektion im Ozean tatsächlich irgendwann in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts zusammenbrechen, wie von einem relativ großen Anteil von modernen Klimamodellen vorhergesagt, so würde das zu einer deutlichen Abkühlung über Südgrönland und Nordwesteuropa führen und dadurch das Abschmelzen dort für einige Jahrzehnte unterbrechen, trotz der insgesamt andauernden Erwärmung im globalen Mittel.

Erwartete Änderungen der Jahresmitteltemperatur prognostiziert nach einen Zusammenbruch der Tiefenkonvektion im Bereich des atlantischen Subpolarwirbels. Aus Swingedouw et al. (2021)

Die Grafik über die Änderungen der Jahresmitteltemperatur (die 20 Jahre nach dem Ereignis minus die 20 Jahre davor) prognostiziert einen Zusammenbruch der Tiefenkonvektion im Bereich des atlantischen Subpolarwirbels, basierend auf einem Ensemble von Simulationen von drei führenden Klimamodellen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Netto-Bodenenergieflüsse aus beobachtungsnahen Daten ausreichend genau sind, um nicht nur als Referenz für entsprechende Produkte aus Klimamodellsimulationen zu dienen sondern auch als Indikator für bereits stattfindende Umstellungen der Zirkulation im Ozean. Die Berechnung der beobachtungsnahen Energieflussschätzungen liefert zudem wichtige Erkenntnisse über das zugrunde liegende Beobachtungssystem und dessen mögliche Mängel, was zu dessen künftiger Verbesserung beiträgt. In dieser Hinsicht ist es wichtig, etablierte Beobachtungsnetze in der Atmosphäre und im Ozean aufrechtzuerhalten. Insbesondere in der Arktis müssen wir das Beobachtungssystem stärken, durch gut koordinierte Kampagnen, wie das bevorstehende Internationale Polarjahr 2032/33 (IPY5, https://ipy.info ), um hierfür Impulse zu setzen.

Was das Abschmelzen des Eises betrifft: Da die globalen Treibhausgasemissionen nicht aufhören und das Energieungleichgewicht der Erde weiterhin zunimmt, scheint es unaufhaltsam zu sein. So wie ein auftauender Kühlschrank dazu neigt, die Küche zu überfluten, beobachten wir einen alarmierenden, sich beschleunigenden Anstieg des Meeresspiegels, der in den letzten 30 Jahren mehr als 10 cm betrug. Dies wird zu einer großen Belastung für künftige Generationen werden.