Brechen des Eises bei der Eisberg-Schmelze und der Eisbildung des Sees.

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Ein besseres Verständnis des Abschmelzens von Eisbergen und der Eisbildung auf Seen könnte neue Indikatoren für den Klimawandel liefern.

Eric Hester hat die letzten drei Jahre damit verbracht, Eisberge zu jagen. Als Student der Mathematik an der Universität von Sydney in Australien untersucht Hester zusammen mit Forschern der Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts, wie die Form eines Eisbergs die Art und Weise beeinflusst, wie er schmilzt.

“Eis verformt sich, wenn es schmilzt”, sagte die Physiko-Ozeanografin Claudia Cenedese, die mit Hester an dem Projekt gearbeitet hat. “Es macht diese sehr seltsamen Formen, vor allem auf dem Boden, wie der Wind einen Berg auf einer längeren Zeitskala formt”.

Auf der 73. Jahrestagung der Abteilung für Fluiddynamik der American Physical Society stellte Hester die Ergebnisse der Experimente seiner Gruppe vor, die darauf abzielten zu verstehen, wie das Schmelzen die sich verändernde Gesichtsgrenze eines schrumpfenden Eisbergs verändert – und wie diese Veränderungen wiederum das Schmelzen beeinflussen.

Die Dynamik der Eisbergschmelze fehlt in den meisten Klimamodellen, sagte Cendese. Sie mit einzubeziehen, könnte bei der Vorhersage helfen: Eisberge pumpen Süßwasser von den Eisschilden in die Ozeane und fördern so die Gemeinschaften lebender Organismen. Eisberge sind die wichtigste Süßwasserquelle in den Fjorden Grönlands – und tragen wesentlich zum Süßwasserverlust in der Antarktis bei. Eisberge spielen eine entscheidende Rolle für das Klima, sagte Cenedese, und sollten in den Modellen nicht vernachlässigt werden. Die Physik des schmelzenden Eises sei gut verstanden, und einige Modelle simulieren sie genau, sagte sie. Andere wiederum nicht. “Aber was man in diesen Simulationen nicht tun kann, ist, die Form des Eises zu verändern”, sagte sie.

Eisberge bilden sich mit einer großen Bandbreite an Formen und Größen, sagte Hester, und unterschiedliche thermodynamische Prozesse wirken sich auf verschiedene Oberflächen aus. Die Basis, die in Wasser eingetaucht ist, schmilzt nicht auf die gleiche Weise wie die Seite. “Und jede Seite schmilzt nicht gleichmäßig”, fügte Cenedese hinzu.

Hester führte seine Experimente durch, indem er einen gefärbten Eisblock in eine Rinne tauchte, an der ein kontrollierter Wasserstrom vorbeiströmte, und beobachtete, wie er schmolz. Er und seine Kollegen stellten fest, dass die Seite, die einer Strömung zugewandt ist, schneller schmilzt als Seiten, die parallel zur Strömung verlaufen. Durch die Kombination von experimentellen und numerischen Ansätzen ermittelten Hester und seine Mitarbeiter die relativen Einflüsse von Faktoren wie der relativen Wassergeschwindigkeit und dem Seitenverhältnis oder dem Verhältnis von Höhe zu Breite auf einer Seite. Es überrascht nicht, dass sie feststellten, dass der Boden die langsamste Schmelzgeschwindigkeit aufwies.

Cenedese sagte, Hesters Projekt bringe Mitarbeiter aus einer Reihe von Disziplinen und Ländern zusammen, und dass für ein solches interdisziplinäres Projekt eine vielfältige Zusammenarbeit erforderlich sei. “Isoliert zu arbeiten ist in diesem Fall nicht so produktiv.

Andere Studien, die auf der Konferenz diskutiert wurden, konzentrierten sich auf die Eisbildung und nicht auf das Schmelzen. Während einer Sitzung über partikelbeladene Strömungen diskutierte der Ingenieur Jiarong Hong vom St. Anthony Falls Laboratory an der Universität von Minnesota in Minneapolis die Ergebnisse von Experimenten, die zeigen, wie Turbulenzen sowohl die Geschwindigkeit als auch die Verteilung von Schnee beim Fallen und Absetzen beeinflussen. Die Ergebnisse könnten den Wissenschaftlern auch helfen, den Niederschlag besser zu verstehen, sagte Hong.

Ein weiteres Projekt, das vom Physiker Chao Sun von der Tsinghua-Universität in China und seiner Gruppe während einer Sitzung über konvektions- und auftriebsgetriebene Strömungen vorgestellt wurde, konzentrierte sich auf die Eisbildung in Seen.

Sun arbeitete mit Ziqi Wang von der Tsinghua-Universität, Enrico Calzavarini von der Universität Lille in Frankreich und Federico Toschi von der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden an einem Stipendium der Natural Science Foundation of China und zeigte, wie die Eisbildung auf einem See eng mit der Strömungsdynamik des darunter liegenden Wassers zusammenhängt.

Ein See kann Wasserschichten mit unterschiedlicher Dichte und Temperatur aufweisen. “Die Anomalien der Wasserdichte können eine ausgeklügelte Fluiddynamik unter einer sich bewegenden Eisfront hervorrufen und das Systemverhalten drastisch verändern”, sagte Sun. “Dies wurde in früheren Studien oft ignoriert.”

Suns Gruppe kombinierte physikalische Experimente, numerische Simulationen und theoretische Modelle, um den Zusammenhang zwischen dem Eis und (turbulenten) konvektiven Strömungen zu untersuchen. Sie identifizierten vier verschiedene Regime mit unterschiedlicher Strömungsdynamik, von denen jedes auf seine Weise mit anderen Schichten und dem Eis interagiert. Doch selbst bei dieser Komplexität entwickelte die Gruppe ein genaues theoretisches Modell, das in zukünftigen Studien verwendet werden könnte.

“Sie machte eine faire Vorhersage der Eisschichtdicke und der Vereisungszeit”, sagte Sun.

Da die Bildung und das Schmelzen von Eis eine so entscheidende Rolle für das Klima spiele, sagte er, könnte ein besseres Verständnis der Fluiddynamik hinter dem Prozess den Forschern helfen, die Marker einer sich erwärmenden Welt zu identifizieren und genau zu untersuchen. “Die Zeit, in der sich Eis bildet und schmilzt, könnte zum Beispiel ein potenzieller Indikator für den Klimawandel sein”, so Sun.

Hervorgehobene Abstracts

Wie beeinflusst die Form von Eisbergen das Abschmelzen?

Dynamik der Schneesedimentation in atmosphärischen Turbulenzen

Wie das Wachstum des Eises auf dem See von der darunter liegenden Strömungsdynamik abhängt.

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