Die angewandte Theorie bietet neue Einblicke in die Wärmeleitfähigkeit von Meereis

Eine neue angewandte mathematische Theorie könnte unser Verständnis darüber verbessern, wie Meereis das globale Klima beeinflusst, und möglicherweise die Genauigkeit von Klimavorhersagen verbessern.

Die Autoren eines neuen Artikels, der in der veröffentlicht wurde Verfahren der Royal Society A: Mathematische und physikalische Wissenschaftenbieten neue Einblicke in die Art und Weise, wie sich Wärme durch Meereis bewegt, ein entscheidender Faktor bei der Regulierung des Polarklimas der Erde.

Dr. Noa Kraitzman, Dozentin für angewandte Mathematik an der Macquarie University und Hauptautorin der Studie, sagt, die Forschung schließe eine wichtige Lücke in der aktuellen Klimamodellierung.

„Meereis bedeckt in der kältesten Jahreszeit, wenn es am größten ist, etwa 15 % der Meeresoberfläche“, sagt Dr. Kraitzman. „Es ist eine dünne Schicht, die die Atmosphäre vom Ozean trennt und für die Wärmeübertragung zwischen beiden verantwortlich ist. »

Das Meereis fungiert als isolierende Decke über dem Ozean, reflektiert das Sonnenlicht und mildert den Wärmeaustausch. Mit steigenden globalen Temperaturen wird es immer wichtiger, das Verhalten des Meereises zu verstehen, um den Klimawandel vorherzusagen.

Die Studie konzentriert sich auf die Wärmeleitfähigkeit von Meereis, einem Schlüsselparameter, der in vielen globalen Klimamodellen verwendet wird. Die Bewegung flüssiger Sole im Meereis, die potenziell den Wärmetransport erhöhen kann, wurde in früheren Modellen nicht berücksichtigt.

Laut Dr. Kraitzman ist es aufgrund der einzigartigen Struktur des Meereises sowie seiner empfindlichen Abhängigkeit von Temperatur und Salzgehalt schwierig, seine Eigenschaften, insbesondere seine Wärmeleitfähigkeit, zu messen und vorherzusagen.

„Wenn man Meereis im kleinen Maßstab betrachtet, ist es vor allem wegen seiner komplexen Struktur interessant, denn es besteht aus Eis, Luftblasen und Soleeinschlüssen.

„Da die Atmosphäre über dem Ozean extrem kalt wird, unter minus 30 Grad Celsius, während das Meerwasser bei etwa minus zwei Grad bleibt, entsteht ein großer Temperaturunterschied und das Wasser gefriert von oben bis unten.“

„Wenn Wasser schnell gefriert, stößt es Salz aus, wodurch eine Matrix aus rein gefrorenem Wassereis entsteht, das Luftblasen und Taschen mit sehr salzigem Wasser, sogenannte Soleeinschlüsse, einfängt, umgeben von fast reinem Eis. »

Diese dichten Soleeinschlüsse sind schwerer als frisches Meerwasser und führen zu einer Konvektionsströmung im Eis, wodurch große „Schornsteine“ entstehen, durch die flüssiges Salz fließt.

Diese Studie baut auf früheren Arbeiten von Trodahl aus dem Jahr 1999 auf, die erstmals darauf hinwiesen, dass der Flüssigkeitsfluss im Meereis dessen Wärmeleitfähigkeit verbessern könnte. Das Team um Dr. Kraitzman hat nun den mathematischen Beweis für dieses Phänomen erbracht.

„Unsere Berechnungen zeigen deutlich, dass eine solche Verbesserung zu erwarten ist, sobald die konvektive Strömung im Meereis beginnt“, sagt Dr. Kraitzman.

Das Modell bietet auch eine Möglichkeit, die thermischen Eigenschaften von Meereis mit seiner Temperatur und seinem Salzgehalt in Beziehung zu setzen, sodass theoretische Ergebnisse mit Messungen verglichen werden können.

Insbesondere stellt es ein Werkzeug zur Verwendung in groß angelegten Klimamodellen dar, das möglicherweise zu genaueren Vorhersagen zukünftiger Bedingungen in Polarregionen führt.

Das arktische Meereis ist in den letzten Jahrzehnten rapide zurückgegangen. Dieser Eisverlust kann zu einer Rückkopplungsschleife führen: Je mehr dunkles Meerwasser freigelegt wird, desto mehr Sonnenlicht absorbiert es, was zu weiterer Erwärmung und Eisverlust führt.

Der Verlust von Meereis kann Auswirkungen auf das Wetter, die Meereszirkulation und die Meeresökosysteme weit über die Polarregionen hinaus haben.

Dr. Kraitzman sagt, es sei wichtig, die Wärmeleitfähigkeit des Meereises zu verstehen, um seine Zukunft vorherzusagen.

Die Forscher betonen, dass ihr Modell zwar einen theoretischen Rahmen liefert, jedoch zusätzliche experimentelle Arbeiten erforderlich sind, um diese Ergebnisse in groß angelegte Klimamodelle zu integrieren.

Die Studie wurde von Mathematikern der Macquarie University in Australien, der University of Utah und des Dartmouth College, New Hampshire, USA, durchgeführt.