Verstehen der Auswirkungen von sich ändernden Stürmen in der Arktis

Verstehen der Auswirkungen von sich ändernden Stürmen in der Arktis Dr. Ola Persson und andere Wissenschaftler von MOSAiC haben ein wissenschaftliches Instrument im Zentralpolarmeer eingerichtet. Bildnachweis: Daisy Dunne für Carbon Brief

Derzeit findet in der Arktis die weltweit größte Polarforschungsexpedition statt. Die einjährige Expedition, bekannt als multidisziplinäres Drift-Observatorium für das Studium des arktischen Klimas (Mosaik), an dem 300 Forscher aus 19 Ländern beteiligt sind. Von einem Schiff, das im Meereis gefangen ist, nehmen Wissenschaftler Messungen vor, die zur Transformation von Klimamodellen beitragen könnten. Carbon Briefs Wissenschaftsjournalist Daisy Dunne trat der Expedition im Herbst 2019 für die ersten sechs Wochen bei. Dies ist der dritte von vier Artikeln, die sich mit der MOSAiC-Expedition befassen.

Für Schiffe, die in der Nähe des Nordpols fahren, stellen nur wenige Ereignisse ein größeres Risiko dar als ein arktischer Sturm.

Stürme in der Arktis können extrem starke Winde auslösen, die den Ozean aufwirbeln und die Wellen um mehrere Meter anschwellen lassen. Dies macht nicht nur das Leben auf See für Segler unerträglich, sondern macht auch die Navigation durch die Arktis - und ihre Eisberge - schwieriger.

Starke Winde können auch durch das Meereis reißen, wodurch es auseinanderbricht und sich in verschiedene Richtungen bewegt. Ein wachsendes Forschungsfeld deutet darauf hin, dass die Auswirkungen stürmischer Winde auf das Meereis größer sein könnten als bisher angenommen - und möglicherweise für Prognosen über künftige Eisverluste von Bedeutung sind.

Es gibt auch Hinweise darauf, dass Stürme in der Arktis das Wetter außerhalb der Pole beeinflussen könnten.

„Die kurze Antwort lautet, dass die Wirbelstürme in der Arktis einige Auswirkungen auf die mittleren Breiten haben, aber wir wissen nicht, mit welcher Regelmäßigkeit dies geschieht“, sagt er Dr. Ola Persson, ein Polar Meteorologe der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).

Persson ist einer von 600 Teilnehmern an MOSAiC, der größten jemals unternommenen Arktisforschungsexpedition. (Carbon Brief vor kurzem beigetreten die Expedition für die ersten sechs Wochen.)

Im Rahmen der Expedition haben Persson und seine Kollegen eine Reihe von Instrumenten entwickelt, mit denen verschiedene Aspekte von Stürmen in der Arktis gemessen werden können - von der Geschwindigkeit der Winde bis zum Ausmaß ihrer Auswirkungen auf das Meereis.

Das Sammeln solcher Daten könnte dazu beitragen, wichtige Fragen zu Stürmen in der Arktis zu beantworten, wie sie sich auf die langfristigen Eis- und Klimabedingungen auswirken könnten und wie sie sich, wenn überhaupt, als Reaktion auf den Klimawandel verschieben könnten.

Verdreht

Arktische Stürme “- auch als arktische oder polare Wirbelstürme bezeichnet - sind Tiefdrucksysteme, die den Arktischen Ozean und seine nahe gelegenen Landmassen, einschließlich Grönland, Nordkanada und Nord-Eurasien, betreffen. In einem arktischen Sturm dreht sich die Luft gegen den Uhrzeigersinn.

Die Animation unten zeigt die Bewegung der Stürme in der Arktis über die Nordpolregion im Jahr 2012 - a Rekordjahr für Meereis. In der Animation wird die Bewegung der Oberflächenwinde durch kleine Pfeile dargestellt, die entsprechend der Geschwindigkeit gefärbt sind.

Die Bewegung der Sommerstürme über die Arktis im Jahr 2012. Credit: NASA / Goddard Space Flight Center Wissenschaftliches Visualisierungsstudio

Arktische Stürme können sich sowohl innerhalb als auch außerhalb der Polarregion bilden, sagt Persson. „Einige von ihnen scheinen als Zyklone entstanden zu sein, die aus den unteren Breiten kommen und in die Arktis ziehen. Andere arktische Wirbelstürme scheinen sich in der Arktis zu entwickeln. “

Stürme, die ihren Ursprung in der Arktis haben, können sich bei Störungen in derTropopause”- der Teil der Atmosphäre, der als Grenzschicht zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre fungiert, sagt Persson. "Diese Störungen können sehr langlebig sein und, wenn die Bedingungen stimmen, scheinen sie einen Wirbelsturm mit niedrigem Pegel auszulösen."

Im Vergleich zu tropischen Stürmen (bekannt als Taifune or Hurrikane Je nachdem, wo sie gefunden werden, gibt es nur sehr wenige Untersuchungen zu arktischen Stürmen, sagt Persson.

Dies liegt hauptsächlich daran, dass im Vergleich zu Stürmen in der mittleren Breite nur sehr wenige Menschen von Wirbelstürmen in der Arktis betroffen sind. Jedoch, rascher Rückgang des Meereises erleichtert die Navigation in der Arktis für längere Zeiträume des Jahres. Dies hat wiederum einen Segen in beiden ausgelöst kommerziell und Tourist Aktivität in der Arktis - die Notwendigkeit, Stürme in der Arktis zu verstehen, wird immer dringlicher.

Es gibt auch Hinweise darauf, dass der Klimawandel dazu führen könnte, dass Stürme in der Arktis häufiger auftreten Prof. Jenny Hutchings, ein MOSAIC Wissenschaftler und Forscher der Meereisdynamik aus Oregon State University. "Es scheint eine Zunahme der Zyklonaktivität bis in die Arktis zu geben", erzählt sie Carbon Brief.

Der Mangel an historischen Daten zu Stürmen in der Arktis erschwert es jedoch festzustellen, ob ein zunehmender Trend zu verzeichnen ist, sagt Persson:

„Es gibt Hinweise darauf, dass arktische Wirbelstürme jetzt häufiger auftreten, aber das Problem ist, dass wir nicht viele Messungen von früher haben. Vielleicht ist die bisherige niedrigere Frequenz darauf zurückzuführen, dass unsere Modelle oder unsere Rekonstruktionen der Vergangenheit nicht vollständig genug sind. “

Ein weiterer Aspekt der Stürme in der Arktis, von dem sich die Wissenschaftler noch kein klares Bild machen müssen, ist die physikalische Struktur, sagt Persson:

„Arktische Wirbelstürme scheinen eine andere Struktur zu haben als Wirbelstürme mittlerer Breite. In den letzten zwei bis vier Jahren gab es einige Studien, die darauf hinwiesen, dass sie eine vertikale Struktur haben eher wie ein Hurrikan als zu einem Sturm mittlerer Breite. "

Während der MOSAiC-Expedition will er Daten über die vertikale Struktur von Stürmen in der Arktis sammeln. Im Mittelpunkt der Expedition steht der Polarstern, ein deutscher Eisbrecher, der bewusst im Meereis gefroren ist. Das Schiff wird passiv mit dem Eis treiben, wenn es sich im nächsten Jahr nach Norden bewegt.

Verstehen der Auswirkungen von sich ändernden Stürmen in der Arktis

Karte, die die Polarstern-Route von ihrem Abflug von Tromsø am 20. September 2019 bis etwa 85 Grad nördlich im Zentralpolarmeer zeigt, wo sie sich am 6. Oktober 2019 an einer Eisscholle befestigte (rot). Der mit Stroh gedeckte Pfeil zeigt den Bereich an, über den das Schiff auf seiner einjährigen Reise, die in der Nähe der Framstraße enden wird, treiben könnte. Bildnachweis: Tom Prater für Carbon Brief

Um die Struktur der Stürme in der Arktis zu untersuchen, müssen Persson und seine Kollegen darauf warten, dass sie das Schiff überqueren. Anschließend erfassen sie mithilfe einer Reihe von Instrumenten, darunter Wetterballons, Daten zu den Stürmen, mit denen Änderungen der Lufttemperatur, des Luftdrucks, der Luftfeuchtigkeit und des Windes erfasst werden. Sie werden auch spezielle Wetterradare einsetzen, die mithilfe von Funkwellen Änderungen des Niederschlags und der Windgeschwindigkeit erfassen.

Die Instrumentenreihe misst während eines Sturms in verschiedenen Höhen in der Atmosphäre. Durch das Zusammenfügen dieser Informationen möchten die Forscher mehr über die vertikale Struktur vorbeiziehender Stürme in der Arktis erfahren.

Verstehen der Auswirkungen von sich ändernden Stürmen in der Arktis Jürgen Graeser startet einen Wetterballon auf dem Hubschrauberdeck von Polarstern. 22. September 2019. Bildnachweis: Esther Horvath

Das Eis brechen

MOSAiC-Forscher untersuchen nicht nur die Struktur von Stürmen in der Arktis, sondern versuchen auch, sich ein Bild davon zu machen, wie sie sich auf das Meereis auswirken können. Persson sagt:

"Was die Leute in den letzten Jahren bemerkt haben, ist, dass wenn wir einen wirklich großen arktischen Wirbelsturm haben, das Meereis verschwindet."

Ein dramatisches Beispiel hierfür ist in 2012, als die Arktis im August von einem starken, langsamen Sturm heimgesucht wurde. Der Zyklon dauerte fast zwei Wochen und brachte heftigen Regen 30mph Winde.

In diesem Jahr erreichte das arktische Meereis seinen Höhepunkt niedrigstes Level aktenkundig. Möglicherweise hat der Sturm den raschen Rückgang des Meereises vorangetrieben.

Wissenschaftler haben angenommen, dass der Sturm den Eisverlust erhöht, indem er das Eis zerbricht und es anfälliger für das Schmelzen macht. Die stürmischen Winde könnten sogar Eis in wärmeres Wasser gedrückt haben, was das Schmelzen weiter steigert, sagen Forscher.

Andere Forscher haben jedoch argumentiert, dass der Sturm im Rekordtief nur eine untergeordnete Rolle spielte.

A Studien veröffentlichte im Jahr 2013 analysiert die Auswirkungen des Sturms mithilfe von Klimamodellen. Die Forscher führten zwei Sätze von Simulationen durch: einen, der die arktischen Bedingungen im Jahr 2012 einschließlich des Auguststurms widerspiegelt, und einen, der die Bedingungen im Jahr 2012 ohne den Sturm widerspiegelt.

Die Untersuchung ergab, dass das arktische Meereis in beiden Simulationen auf ein neues Rekordtief gefallen ist. In den Simulationen einschließlich des Sturms wurde das Rekordtief jedoch etwa 10 Tage früher als in den Simulationen ohne Sturm festgelegt.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass andere Faktoren für die rekordtiefen Eisbedingungen im Jahr 2012 wichtiger waren, sagten die Forscher. In diesem Jahr waren die Sommertemperaturen in der Arktis beispielsweise wärmer als der Durchschnitt, und der Eisbeutel bestand zum größten Teil ausEis im ersten Jahr”- junges Eis, das eher zum Schmelzen neigt.

Veränderungen des Ausmaßes des arktischen Meereises, das im Laufe der Zeit weniger als ein Jahr (hellblau) gealtert ist, zu Eis, das im Laufe der Zeit vier Jahre und älter (dunkelblau) ist. Umfang ist für die gleiche Woche (22.-28. Oktober) von 1985-2019 gezeigt. Datenquelle: Nationales Schnee- und Eisdatenzentrum. Chart von Carbon Brief mit Highcharts

Während die Studie dazu beigetragen hat, den Zyklon 2012 zu beleuchten, ist der wahre Einfluss der Stürme in der Arktis auf das Meereis weitgehend unbekannt. "Wir haben uns nur einen großen Sturm angesehen" sagte Mitautor der Studie Dr. Ron Lindsay, Aus der Universität von Washington 2013. „Wenn wir verstehen wollen, wie sich Stürme in Zukunft auf die Eisdecke auswirken, müssen wir die Auswirkungen von Stürmen unter verschiedenen Bedingungen verstehen.“

Eines der Forschungsziele der MOSAiC-Expedition ist es, die Auswirkungen arktischer Stürme auf das Meereis ein Jahr lang unter den unterschiedlichsten Bedingungen zu untersuchen.

In einem Umkreis von 50 km um das Haupteislager von MOSAiC haben Wissenschaftler installiert ein Netzwerk von schwimmenden Forschungsstationen. Diese Stationen sind die Heimat einer Reihe von Instrumenten, mit denen im nächsten Jahr nahezu fortlaufend Änderungen der Atmosphäre, des Meereises und des Ozeans gemessen werden.

Eines dieser Instrumente, a Riesenschlitten aus Metall Das von Persson und seinen Kollegen erstellte System wird zur Untersuchung von Stürmen in der Arktis verwendet. Der Schlitten wird von verschiedenen Geräten abgedeckt, die Änderungen in der Atmosphäre messen.

Das wichtigste Instrument zur Überwachung vorbeiziehender Stürme in der Arktis ist ein „Sonic Anemometer“ - ein Instrument, das seitlich am Schlitten herausragt und mit Hilfe von Schallwellen Änderungen der Windgeschwindigkeit und -richtung misst.

Verstehen der Auswirkungen von sich ändernden Stürmen in der Arktis Dr. Ola Persson und ein Kollege befestigen ein Schallanemometer an einem wissenschaftlichen Instrument im Zentralpolarmeer. Bildnachweis: Daisy Dunne für Carbon Brief

Der Schlitten verfügt auch über ein fortschrittliches GPS-System, mit dem die Forscher den Standort der Eisschollen in Echtzeit verfolgen können.

Mit diesen Instrumenten wollen die Forscher die Geschwindigkeit und Stärke der Winde bei Stürmen überwachen - und ob diese Winde dazu führen, dass das Meereis auseinanderbricht und sich in verschiedene Richtungen bewegt.

„Wir werden hoffentlich in der Lage sein, die Reaktion des Eises während eines Zyklons zu bestimmen und festzustellen, ob die starken Winde, die durch Zyklone verursacht werden, zu einer Divergenz des Eises führen“, sagt Hutchings.

Die Forschung ist riskant. Ein besonders schwerer Sturm kann dazu führen, dass sich das Meereis aufspaltet oder vollständig zerbricht und die Instrumente der Forscher in den Ozean fallen.

„Es wird interessant zu sehen sein, welche Eisschollen am Ende überleben - und welche nicht“, sagt er Dr. Thomas Krumpen, ein Meereisforscher von AWI und Co-Cruise-Leader an Bord der Akademik Fedorov.

Die Messungen, die bis zum Ende der Expedition im September 2020 durchgeführt wurden, könnten hoffentlich mehr Licht auf die Auswirkungen arktischer Stürme auf die Eisdecke werfen.

Stürme auf der Flucht

Ein Grund, warum MOSAiC-Wissenschaftler gerne Daten über Stürme in der Arktis sammeln, ist, dass einige Hinweise darauf hindeuten, dass sie die Klimabedingungen außerhalb der Pole beeinflussen könnten.

Dies liegt daran, dass das arktische Wetter unter bestimmten Umständen der Polarregion entkommen und bis in die mittleren Breiten reichen kann, sagt Persson.

Ein Beispiel hierfür war Anfang 2019, als Teile der USA und Kanadas von einer extremer Kälteeinbruch Das ließ die Temperaturen sinken -17C und darunter.

Verstehen der Auswirkungen von sich ändernden Stürmen in der Arktis Ein Mann gräbt morgens ein rotes Chevrolet-Auto aus dem Parkplatzschnee. Toronto Kanada. 29. Januar 2019. Torontonisch / Alamy Stock Foto

Obwohl die Wissenschaft ist noch nicht sicherEs scheint, dass sich arktische Stürme aus der Arktis in die mittleren Breiten bewegen können, wenn es zu einer Störung in der “stratosphärischer Polarwirbel”- ein Niederdruck-Wettersystem, das sich rund 50 km über der Arktis befindet.

Wenn es gestört wird, kann der polare Wirbel geschwächt werden, so dass das kalte Wetter, das er normalerweise enthält, in die mittleren Breiten ausläuft. "[Dies] bringt viel kühle Luft und wirbelt viele Stürme und Schneefälle auf", sagt Persson.

Das folgende Diagramm zeigt, wie ein geschwächter Polarwirbel das Entweichen des kalten arktischen Wetters vom Nordpol ermöglichen kann.

Verstehen der Auswirkungen von sich ändernden Stürmen in der Arktis Die Wissenschaft hinter dem Polarwirbel. Bildnachweis: NOAA

Obwohl es in den letzten Jahren in den mittleren Breiten mehrere bemerkenswerte Kälteeinbrüche gegeben hat, ist noch nicht klar, ob solche Ereignisse wahrscheinlicher werden, sagt Persson.

Durch die Erfassung von Daten über die Bewegungen der Stürme in der Arktis im Laufe der MOSAIC erhofft er sich ein besseres Verständnis dafür, wie oft sie die Arktis verlassen. "Die kurze Antwort lautet, dass die arktischen Wirbelstürme Auswirkungen auf die mittleren Breiten haben, aber wir wissen nicht, mit welcher Regelmäßigkeit dies geschieht."

Über den Autor

Daisy Dunne war eine von fünf Journalisten, die ausgewählt wurden, um über MOSAiC zu berichten. Ihre Kosten beim Verlassen von Tromsø wurden vom Alfred-Wegener-Institut übernommen, das die Expedition organisierte.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Carbon Brief

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