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INTERVIEW/181: Der Blick aus dem All - Pionierarbeit und Zugewinn ...    Prof. Lars Kaleschke im Gespräch (SB)


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Vortrag des ESA-Astronauten Dr. Alexander Gerst und gemeinsames Podiumsgespräch mit den drei Hamburger Professoren Matthias Hort, Detlef Stammer und Lars Kaleschke sowie mit Dr. Maurice Borgeaud (ESA) und der Moderatorin Julia Sen (NDR) am 8. Mai 2015 im Audimax der Universität Hamburg

Professor Lars Kaleschke über die Bemühungen der Wissenschaft, ein möglichst genaues Abbild von der Dicke des arktischen Meereises zu erhalten, und potentielle Fehlerquellen bei dieser Arbeit


Die Erdsystembeobachtung per Satellit ist für die heutige Klimaforschung und andere Forschungsbereiche unverzichtbar. Das bekundeten die Vertreter mehrerer Hamburger Forschungsinstitute bei einem Podiumsgespräch mit dem ESA-Astronauten Dr. Alexander Gerst und dem ESA-Mitarbeiter Dr. Maurice Borgeaud am 8. Mai 2015 im Audimax der Universität Hamburg. Prof. Matthias Hort vom Institut für Geophysik, bei dem Gerst seine Doktorarbeit über "die erste Sekunde einer strombolianischen Vulkaneruption" geschrieben hat, nannte als Anwendungsbeispiel von Satellitenbildern die Beobachtung des exakten Verlaufs von Vulkanaschewolken, die eine Gefahr für die Luftfahrt darstellen. Prof. Detlef Stammer, Direktor des Centrums für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit (CEN), beschrieb, wie Satellitendaten bei der Vermessung des Meeresspiegelniveaus, das regional unterschiedlich ausfällt, genutzt werden. Und Prof. Lars Kaleschke veranschaulichte am Beispiel zweier Satellitenaufnahmen aus rund 700 Kilometer Höhe über der Nordpolarregion, daß das arktische Meereis im Jahr 2012 um 40 Prozent gegenüber dem Mittelwert der Jahre 1992 bis 2006 geschrumpft war.


Gesprächsteilnehmer des Podiums vor riesiger Projektion der Meereisbedeckung der Arktis, links der Mittelwert 1992 bis 2006, rechts 2012 - Foto: © 2015 by Schattenblick

(Von links:) Prof. Lars Kaleschke, Dr. Alexander Gerst, Julia Sen, Dr. Maurice Borgeaud, Prof. Detlef Stammer
Foto: © 2015 by Schattenblick

Die Arktis erwärmt sich im Vergleich zu anderen Weltregionen überdurchschnittlich schnell. Die Ausdehnung des Meereises rund um den Nordpol sowie an den Küsten der Arktisanrainerstaaten, die im Wechsel der Jahreszeiten wächst und schrumpft, unterliegt zusätzlich einem langfristigen Trend und nimmt seit vielen Jahren ab. Das macht das arktische Meereis zu einem anschaulichen Indikator für den globalen Klimawandel. Zugleich könnte es sich sogar als Motor der Erderwärmung erweisen, denn je kleiner die helle Eisfläche, desto weniger Sonnenlicht wird reflektiert und desto mehr Wärme nimmt das dunklere Meer auf. Wissenschaftler des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung schreiben dem Meereis die Qualität eines "tipping points", eines Kippunkts bzw. Kippelements zu. [1]

Damit soll gesagt werden, daß der Abschmelzvorgang des Meereises ab einem nicht genau im voraus zu bestimmenden Wert der Reduzierung nicht mehr aufzuhalten sein wird, sich die gesamte Arktis stark erwärmt mit all den bekannten und womöglich noch mehr unbekannten klimatischen Folgen für die gesamte Welt.

Für eine möglichst genaue Beschreibung des Zustands des Meereises ist die Bestimmung seiner Dicke mindestens so wichtig wie die seiner Ausdehnung. Denn es macht einen enormen Unterschied hinsichtlich der Projektionen zukünftiger Entwicklungen aus, ob man von mehrjährigem, mehrere Meter dickem oder von einjährigem, sehr viel dünneren Eis ausgeht.

Im Vorwege des Podiumsgesprächs gab Prof. Kaleschke im Zentrum für Marine und Atmosphärische Wissenschaften (ZMAW) dem Schattenblick einen Einblick in die Schwierigkeiten, eine Methode zur Bestimmung der Eisdicke zu entwickeln, bei der die Fehleranfälligkeit möglichst klein gehalten wird.


Prof. Kaleschke beim Interview - Foto: © 2015 by Schattenblick

"Wenn man nun die unterschiedlichen Fehler in den Daten hat, muß man aufpassen, wenn man die Zeitreihen zusammenbringt, daß man keine fehlerhaften Trends ableitet, die nur aufgrund der unterschiedlichen Meßprinzipien zustandegekommen sind."
(Prof. Lars Kaleschke, 8. Mai 2015, Hamburg)
Foto: © 2015 by Schattenblick

Schattenblick (SB): Ihr Spezialgebiet, Herr Kaleschke, ist die Satellitenbeobachtung des Meereises in der Arktis. Haben sich da Veränderungen ergeben, seitdem Sie und Ihre Kollegen 2012 über das Minimum des arktischen Meereises berichtet hatten? [2]

Prof. Lars Kaleschke (LK): Es hat sich vor allem etwas bei den Möglichkeiten getan, die Eisdicke zu messen. Wir haben mit SMOS und CryoSat-2, die im November 2009 bzw. April 2010 gestartet sind, neue Satelliten der ESA zur Verfügung. Zur Zeit entwickeln wir Methoden, um die Messung der Eisdicke vom Satelliten aus durchzuführen. Diese Methoden muß man noch verbessern und validieren. Es handelt sich hier um zwei verschiedenartige Satelliten, die beide ihre Stärken und ihre Schwächen haben. CryoSat-2 bietet ein Meßprinzip, bei dem der Abstand des Satelliten zur Erd-, Wasser- oder eben auch zur Eisoberfläche gemessen wird. Da lautet die Frage dann, wie weit das Eis aus dem Ozean herausragt. Das nennen wir die Freibordhöhe. Hieraus kann man - in Verbindung mit Annahmen über die Dichte des Eises und die Schneeauflage - die Dicke des Eises bestimmen.

Das funktioniert besonders gut bei dickem Eis, das dann deutlich aus dem Wasser herausragt. Da Eis nicht ganz so dicht ist wie Wasser, schwimmt es, und nur zwischen einem Neuntel und einem Sechstel des Eises ragt heraus. Wenn man die Freibordhöhe gemessen hat, muß man den Wert mit dem Faktor sechs oder neun - je nachdem, welche Dichte man für das Eis annimmt, denn die variiert ebenfalls - multiplizieren. Das ist die große Unbekannte, die Unsicherheit, die einen Meßfehler verursachen kann.

SB: Wann treten Meßfehler auf und wann nicht?

LK: Wenn man die Dichte des Eises und die Schneeauflage nicht gut kennt, macht man mit diesem Verfahren leicht Fehler. Es ist um so genauer, je dicker das Eis ist; die relative Genauigkeit nimmt also für dickes Eis zu. Wir bekommen aber Schwierigkeiten bei dünnem Eis, weil das eben nur wenige Millimeter über dem Ozean herausragt, und dazu reicht die Meßgenauigkeit nicht aus. Deswegen nutzen wir einen zweiten Satelliten, den SMOS-Satelliten.


Angaben zur Wasseroberfläche, Freibordhöhe, Eisdicke, Tiefgang, Schmelzwasser und Schneedicke auf dem Eis -Quelle: meereisportal.de / Hannes Grobe, AWI

Schematische Darstellung der wichtigsten Begriffe für die Messung der Dicke von Meereis
Quelle: meereisportal.de / Hannes Grobe, AWI

SB: Was bedeutet der Name SMOS?

LK: SMOS steht für Soil Moisture and Ocean Salinity. Das System wurde eigentlich für die Bestimmung von Bodenfeuchte und Ozeansalzgehalt konzipiert. Es mißt die Mikrowellenstrahlung bei 1,4 Gigahertz, das entspricht einer Wellenlänge von 20 Zentimetern. Das sind sehr lange elektromagnetische Wellen, die tief in den Boden einzudringen vermögen. Weil der Satellit die thermische Emission mißt, weiß man, wo das Signal bzw. die Strahlung herkommt. Bei einem trockenen Boden stammt sie aus einer tieferen Schicht als bei einem feuchten Boden.

Beim Meereis verhält es sich ähnlich. Die Mikrowellenstrahlung dringt tief in das Eis ein. Je nach Salzgehalt und Temperatur des Eises bekommt man Strahlung aus tieferen oder weniger tiefen Schichten zu sehen. Das hängt von der Menge an flüssiger Salzlake innerhalb des Eises ab. Wenn das Eis sehr kalt ist, dann ist ihr Gehalt geringer, weil die Salzlake ausfriert.

Somit bedingt die Salzlake, wie leitfähig das Medium - das Eis - ist. Je leitfähiger, desto stärker werden die Wellen gedämpft und desto geringer die Eindringtiefe. Also ergibt sich daraus: Je kälter es ist, desto besser können wir mit SMOS die Eisdicke messen. Und das nutzen wir aus. Wir brauchen besonders tiefe Temperaturen, daher können wir mit SMOS die Eisdicke auch nur im Winter gut messen. Im Sommer versagt das Verfahren, da kann man dann kaum mehr als einen Zentimeter in das Eis hineinsehen. Aber nur wenn man die Strahlung aus dem Volumen sieht, also einer breiteren Schicht, kann man die Eisdicke zuverlässig messen.

SB: Und Wissenschaftler wie Sie bringen die Daten der beiden Satelliten auf einen Nenner?

LK: Ja, daran arbeiten wir. Die Produkte der Eisdicke aus SMOS und CryoSat-2 liegen schon vor. Wenn man sie kombiniert, kann man es so machen, daß man mit dem Fehler gewichtet und sozusagen die guten Messungen von CryoSat-2 und die guten Messungen von SMOS nimmt und sie dann vereinigt. Dann läßt sich erkennen, daß das Gesamtprodukt besser ist als die Einzelprodukte. Auf diese Weise reduzieren wir den Fehler und arbeiten daran, dieses Verfahren zu implementieren und zu validieren.

SB: Wer ist noch an der Forschung beteiligt?

LK: In dem jetzt laufenden Forschungsprojekt der ESA machen wir das mit Kollegen vom Alfred-Wegener-Institut und vom Finnischen Meteorologischen Institut zusammen; das norwegische Nansen-Center, das Dänische Meteorologische Institut und die Universität Bremen sind ebenfalls beteiligt. Das Projekt läuft jetzt noch ein Jahr lang und am Ende des Jahres wollen wir tatsächlich ein Produkt haben, das dann eine höhere Genauigkeit aufweist.

SB: Wäre auch dann erst mit der Veröffentlichung des Ergebnisses zu rechnen oder liegen jetzt schon Veröffentlichungen zur Vermessung der Eisdicke oder zu den Bemühungen, die beiden Systeme zusammenzubringen, vor?

LK: Es gibt zumindest schon Datenveröffentlichungen. Das SMOS-Datenprodukt können Sie aus dem Integrated Climate Data Center von unserer Website ICDC.zmaw.de runterladen und es gibt das Meereisportal vom Alfred-Wegener-Institut, da stehen die CryoSat-Daten zur Verfügung. Am Anfang, als CryoSat-2 geflogen ist, wurde auch etwas zu der Meßmethodik selber veröffentlicht, aber zu den Trends und tatsächlichen Änderungen der Eisdicke über einen längeren Zeitraum wurde bisher noch nichts in einer begutachteten Fachzeitschrift publiziert. Lediglich in einigen Pressemitteilungen haben Kollegen darüber berichtet.

Man muß auch diese Langzeitmessungen im Vergleich sehen zu dem ICESat-Sensor, der vorher geflogen ist. [3] Dabei hatte man zwar ein ähnliches Meßprinzip wie bei CryoSat-2, aber ICESat war ein Laser und CryoSat-2 ist ein Radar.

SB: Worin macht sich der Unterschied bemerkbar?

LK: Das Laser arbeitet im infraroten Bereich und mißt vor allen Dingen den Abstand zur obersten Schneeschicht, während das Radar direkt durch den Schnee hindurchsieht und die Schnee-Eis-Grenzschicht oder auch Schichten dazwischen erkennt. Es handelt sich also um verschiedene Sensoren, die unterschiedliche Meßeigenschaften aufweisen. Wenn man nun die jeweiligen Fehler in den Daten hat, muß man aufpassen, wenn man die Zeitreihen zusammenbringt, daß man keine fehlerhaften Trends ableitet, die nur aufgrund der unterschiedlichen Meßprinzipien zustandegekommen sind.


Eisberg über und unter der Wasseroberfläche - Foto: NOAA, freigegeben als CC BY 2.0 [https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/] via Flickr

Die Bestimmung der Meereisdicke gestaltet sich schwierig, weil nur ein Teil des Eises aus dem Wasser ragt, die Oberfläche des Eises sehr zerklüftet, teils sogar unterhöhlt ist, und das Eis unterschiedlich dicht gepackt sein kann.
Arktischer Ozean, aufgenommen vom NOAA-Schiff "Fairweather", 20. Dezember 2012.
Foto: NOAA, freigegeben als CC BY 2.0 [https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/] via Flickr

SB: Daran knüpft meine nächste Frage direkt an: Werden diese Daten, die Sie per Satellit gewinnen, vor Ort nochmals überprüft, um feststellen zu können, ob sich da beispielsweise tatsächlich eine Salzlakeschicht im Eis befindet oder ob das nicht doch alles tiefgefroren ist oder eben umgekehrt? Werden diese Daten immer noch abgeglichen oder ist das schon erledigt?

LK: Nein, das ist noch nicht erledigt, das wird häufiger überprüft. Gerade erst im März und April dieses Jahres wurde ein Meßprogramm von ESA und NASA kombiniert, und im März vergangenen Jahres hatten wir eine Meßkampagne in der Barentssee laufen. Da hatten wir als Universität Hamburg in einem Verbundprojekt ein eisgängiges Forschungsschiff, die "Lance", von dem norwegischen Polarinstitut gechartert. Das Experiment wurde um Flugmessungen, die von der ESA finanziert wurden, erweitert. Da wurde das Forschungsflugzeug "Polar 5" vom Alfred-Wegener-Institut mit einem Radiometer ausgestattet, das bei der gleichen Frequenz wie SMOS mißt, und bei diesem Feldprogramm wurde dann auch ein Hubschrauber eingesetzt, der mit einem elektromagnetischen Induktionssystem sehr genau die Eisdicke messen konnte.

Auch unser Schiff war mit einem solchen System ausgestattet. Wir haben dann einen Datensatz über eine Länge von 1800 Kilometern erhalten, in etwa soviel wurde dann auch noch vom Hubschrauber aus gemessen. Und schließlich gewannen wir auf den Strecken besonders interessante Datensätze, wo Hubschrauber und Flugzeug den gleichen Kurs geflogen sind. Das wurde dann auch noch mit dem Satellitenüberflug von CryoSat-2 koordiniert. So konnten wir einen Datensatz erstellen, der sehr viel Potential bietet, die einzelnen Fehler der Systeme genauer zu bestimmen und dadurch die Verfahren der Auswertung zu verbessern. Daran arbeiten wir gerade. Das ist ein sehr umfangreicher Datensatz, den kann man nicht mal so eben auswerten, sondern da muß man auch viele andere Informationen, beispielsweise zur Temperatur, einfließen lassen.

Hinzu kommt, daß wir hochaufgelöste Satellitenbilder vom TerraSAR-X haben, die mit 20 bis 40 Metern Auflösung eine sehr detaillierte Grundlageninformation als Vergleich zu den Flugzeugmessungen liefern. Außerdem hatten wir noch vor dem Experiment Eisdriftbojen ausgesetzt, die uns Informationen über die Eisdynamik liefern, so können wir auch etwas über das Eis erfahren, das wir dort ausgemessen haben.

Am Anfang war das Eis sehr weit nach Norden verdriftet, dort, an der Küste von Spitzbergen, kompaktiert und dann wieder nach Süden gedriftet. Durch diese Eisdriftbojen können wir nun etwas darüber erfahren, welchen Ursprungs das Eis war, das wir überflogen haben.

SB: Werden auf solchen Meereisflächen auch Bohrungen durchgeführt?

LK: So etwas wird gemacht, aber in diesem Fall war das Ziel des Projektes noch ein anderes. Das Ursprungsprojekt war ein vom Wirtschaftsministerium finanziertes Projekt zur Entwicklung eines Eisvorhersagesystems für die Schiffsroutenoptimierung. Und mit der "Lance" wollten wir nun das System testen, was wir mit Erfolg gemacht haben. Ziel war es also, möglichst lange Strecken zu fahren. Da blieb keine Zeit, auszusteigen, auf das Eis zu gehen und Bohrungen durchzuführen. So etwas hätte Zeit in Anspruch genommen, was nicht im Sinne des geplanten Programms zur Validierung des Eisroutensystems gewesen wäre.

SB: Vor wenigen Tagen berichtete eine US-Behörde über das Minimum der winterlichen Meereisausdehnung. Noch nie, so hieß es, sei die Fläche des winterlichen Meereises so gering gewesen wie in diesem Jahr. [4] Rechnen Wissenschaftler wie Sie damit, daß auch das sommerliche Meereis diesem Trend folgen wird oder laufen die Entwicklungen doch jeweils auf eigene Weise?

LK: Es gibt keine besonders starke Korrelation zwischen der Meereisausdehnung im Winter und im Sommer, auch wenn im Winter ein langanhaltender Trend der Abnahme zu beobachten ist, was man an jedem Monat des Jahres feststellen kann. Im Sommer ist diese Entwicklung jedoch viel stärker ausgeprägt.

Ich möchte aber ein wenig widersprechen, daß wir jetzt hier ein Rekordminimum im Winter haben sollen. Das war nicht so sehr signifikant, daß man sagen könnte, es sei bei allen Metriken, die wir haben, um diese Fläche zu messen, ein Rekord aufgetreten. Es war vielleicht ein Rekord in dem einen Datensatz, aber in dem anderen eben nicht. Auch im April dieses Jahres hatten wir eine sehr geringe Eisausdehnung, und in dem einen Datensatz ist es tatsächlich die zweitgeringste seit Beginn der Aufzeichnungen, aber eben nicht die geringste. Insofern relativiert sich das.

Die geringste jemals gemessene Eisausdehnung für den Monat April im Mittelwert war im Jahr 2007. Damals hatten wir dann auch ein Rekordminimum im September. Das könnte darauf hindeuten, daß wir in diesem Jahr auch relativ wenig Eis haben werden, es muß aber nicht so kommen. Das hängt sehr davon ab, wie sich das Wetter in den nächsten Monaten entwickelt. Das ist der wesentliche Faktor, den man nicht vorhersagen kann, dazu liegt noch kein gesicherter statistischer Trend vor.

SB: Vielen Dank, Herr Kaleschke, daß Sie sich die Zeit für uns genommen haben.


U-Boot ragt bei Sonnenuntergang aus geschlossener Eisfläche heraus - Foto: US Navy, freigegeben als gemeinfrei via Wikimedia Commons

Die ersten Daten über die Dicke des arktischen Meereises wurden mit U-Booten gewonnen, aber nicht für die Wissenschaft freigegeben.
Das U-Boot USS Honolulu der Los Angeles-Klasse durchbricht im Oktober 2003 die Eisfläche rund 280 Meilen vom Nordpol entfernt. Abgesehen von geheimen militärischen Operationen wurden von dem U-Boot aus, als Bestandteil der Abmachungen mit dem Arctic Submarine Laboratory (ASL) und der National Science Foundation (NSF), wissenschaftliche Daten und Wasserproben für US-amerikanische und kanadische Universitäten aufgenommen.
Foto: US Navy, freigegeben als gemeinfrei via Wikimedia Commons


Fußnoten:


[1] https://www.pik-potsdam.de/services/infothek/kippelemente

[2] Näheres dazu im Schattenblick mit dem kategorischen Titel "Arktis warm, Europa kalt" unter:
INFOPOOL → UMWELT → REPORT:
Dazu gehört auch ein Interview mit Dr. Lars Kaleschke vom KlimaCampus Hamburg vom 26. September 2012:
INTERVIEW/036: Arktis warm, Europa kalt - Der Blick aus dem Orbit (SB)
"Negativ-Rekord in der Arktis - was bedeutet das Meereis-Minimum für unser Klima?"
http://schattenblick.com/infopool/umwelt/report/umri0036.html

[3] ICESat (Ice, Cloud and Land Elevation Satellite) war ein Satellit der US-Raumfahrtbehörde NASA, mit dem unter anderem die Dicke von Meereis gemessen wurde. ICESat wurde am 13. Januar 2003 gestartet und ist am 30. August 2010 abgestürzt.

[4] Näheres dazu unter INFOPOOL → UMWELT → REDAKTION:
KLIMA/558: Arktis im Rekordfieber - Meereis schrumpft und Hitze steigt (SB)
http://schattenblick.com/infopool/umwelt/redakt/umkl-558.html

Unter INFOPOOL → UMWELT → REPORT sind bisher mit dem kategorischen Titel "Der Blick aus dem All" zu Pressegespräch und Vortrag mit dem ESA-Astronauten Dr. Alexander Gerst erschienen:

BERICHT/100: Der Blick aus dem All - ein Hauch Atmosphäre ... (SB)
http://schattenblick.com/infopool/umwelt/report/umrb0100.html
INTERVIEW/179: Der Blick aus dem All - lernen von anderen Planeten ... ESA-Astronaut Dr. Alexander Gerst im Gespräch (SB)
http://schattenblick.com/infopool/umwelt/report/umri0179.html
INTERVIEW/180: Der Blick aus dem All - Vulkanaschewanderung ... Prof. Matthias Hort im Gespräch (SB)
http://schattenblick.com/infopool/umwelt/report/umri0180.html


18. Mai 2015


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