Mit Mikrowellensensoren dem Meereis auf der Spur

Detaillierte Untersuchungen zur globalen Verteilung von Meereis wurden erst durch den Einsatz von Satelliten ermöglicht. Seit nun gut 35 Jahren liefern sie uns Daten aus dem All, mit deren Hilfe wir Informationen über die großflächige Entwicklung der Meereisflächen unserer Erde erhalten können.

Meereis ist ein wichtiger Bestandteil des globalen Klimasystems. Sein Einfluss basiert auf der Tatsache, dass Fläche, Volumen und Struktur des Meereises außerordentlich variabel und differenziert sind. Mit der Zu- und Abnahme der Meereisbedeckung werden nicht nur der Wärme- und der Süßwasseraustausch der polaren Ozeane gesteuert, sondern über die Strahlungsbilanz auch der Energiehaushalt der Erdoberfläche. Meereis gehört neben der globalen Temperatur zu den wichtigsten und sichtbarsten Klimaindikatoren, denn die Ausdehnung der polaren Meereisdecken reagiert sehr sensibel auf Klimaschwankungen. Zu den globalen Auswirkungen des Eisrückgangs zählen neben den klimatischen Aspekten auch die Folgen wie die zunehmende wirtschaftliche Erschließung der Arktis durch die Öffnung von Schiffsrouten sowie die Nutzung von möglichen Rohstoffquellen von Öl und Gas.

Aus diesen Gründen wird das Meereis in den Polargebieten mit Satelliten das ganze Jahr über beobachtet. Dies geschieht mit passiven Mikrowellensensoren (siehe Abb. rechts). Jedes Objekt auf der Erde gibt nicht nur Infrarot-, sondern auch Mikrowellenstrahlung von sich. Gerade im Mikrowellenbereich ist die Atmosphäre für viele Frequenzen durchlässig. In diesem Bereich kann das Meereis ohne den störenden Einfluss der Bewölkung untersucht werden. Passive Mikrowellensensoren arbeiten darüber hinaus tageslichtunabhängig, was gerade in den Polarregionen unabdingbar ist. Mikrowellenstrahlung ist zudem nicht nur an die Temperatur eines Objektes, sondern auch an sein Material geknüpft. Dadurch können Mikrowellenradiometer gut zwischen ein- und mehrjährigem Eis, sowie dem flüssigem Wasser des Ozeans unterscheiden. Aufgrund dieser Fähigkeiten liefern passive Mikrowellensensoren täglich ein nahezu vollständiges Bild der Meereisbedeckung in den Polargebieten. Sie sind sehr gut geeignet, einen weiträumigen Überblick über die globale Meereisbedeckung zu geben, zeitlich stark variable Prozesse im Meereis zu verfolgen und ermöglichen, langfristige Veränderungen in der Meereisbedeckung aufzuspüren.

Neben den passiv messenden Sensoren gibt es Satelliten, die aktiv Mikrowellen in Richtung Erde senden. Diese werden von der Oberfläche reflektiert und vom Sensor wieder erfasst. Diese Art von Sensor wird als "Aktiver Mikrowellensensor" oder Radar bezeichnet.

Detaillierte Informationen über die großräumigen Eigenschaften und die Veränderungen der globalen Meereisbedeckung sind seit dem Start von Nimbus-5 (einem ESMR – "Electrically Scanning Microwave Radiometer") im Jahre 1972 verfügbar. Diesem einfachen Sensor (er beobachtete bei nur einer Mikrowellenfrequenz) folgten 1978 und 1987 die komplexeren Satelliten- bzw. Sensorprogramme SMMR und SSM/I der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA. Der Start von AMSR-E im Jahr 2002 markierte dann den Beginn einer neuen Ära der passiven Mikrowellenmessungen mit erhöhter räumlicher Auflösung und Beobachtungen bei noch mehr Frequenzen. Dies ermöglicht die Messung zusätzlicher Parameter, wie der Eistemperatur. Nach fast zehn Jahren, mehr als der dreifachen nominellen Lebensdauer, hat AMSR-E im Oktober 2011 versagt. Der Nachfolger AMSR2 wurde erfolgreich am 18. Mai 2012 in die Umlaufbahn geschickt und liefert nun seit August 2012 Messdaten (siehe Abb. unten).

Die aktuelle Meereisausdehnung basierend auf AMSR2-Daten können auf der Webseite des Meereisportals abgerufen werden. Weitere Einzelheiten und regionale Karten finden sich auf der Seite der Universität Bremen.

Seit Ende 2010 beobachtet der ESA-Satellit SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) die Erde. Zusätzlich zu den ursprünglichen Missionszielen Bodenfeuchte und Salzgehalt des Ozeans wird aus den Beobachtungen von SMOS die Dicke des jungen Meereises bis 50 cm bestimmt. Tägliche Daten finden Sie hier.
Generell lässt sich in den Satellitendaten ein Trend zu einem früheren Einsetzen der Sommerschmelze in der Arktis feststellen. Die Schmelzprozesse beginnen inzwischen im Durschnitt 7 Tage früher als in den später 1970er und frühen 1980er Jahren, was einer Änderung von 2 Tagen pro Jahrzehnt entspricht.
Der Trend hin zu einem früheren Einsetzen der Schmelzprozesse ist statistisch signifikant, doch es herrscht auch eine starke Variabilität von Jahr zu Jahr.