Eisberge, Schelfeis und Packeis

Der Untergang der Titanic infolge eines Zusammenstoßes mit einem Eisberg - in der Nacht vom 14. zum 15. April des Jahres 1912 mit über 1.500 Toten - war einer der Gründe für die Erforschung der Entstehung, Konsistenz,  Wanderung und Wirkung von Eisbergen.

Außerdem zeigte der Untergang dieses riesigen und als unsinkbar geltenden Schiffes die Verletzlichkeit des Menschen und seiner Technik.

Masse, Volumen und Dichte
Um das Verhalten von Eisbergen zu verstehen ist es u.a. erforderlich, das Archimedische Prinzip zu verstehen.

Demnach ist die Masse (Gewicht) eines schwimmenden Körpers gleich der Masse der von diesem Körper verdrängten Wassermasse. Dabei spielt die Dichte von Wasser und die des schwimmenden Körpers eine große Rolle. Für die Dichte ρ eines Körpers mit der Masse m und dem Volumen V gilt:
 
ρ = m/V

Sofern man diese Gleichung nach m auflöst ergibt sich:

m = ρ·V

Wasser hat bei 4° C seine größte Dichte, wird es kälter, so dehnt es sich aus, wird es wärmer geschieht dasselbe. Bei  4° C ist die Dichte von reinem Wasser gleich 1 g pro cm³ bzw. 1.000 kg pro m³

Gefrierpunkterniedrigung
Jeder kennt die Tatsache, dass auf vereisten Straßen Salz gestreut wird, um das Eis aufzutauen. Der Grund dafür liegt in der Tatsache begründet, dass Salzwasser einen niedrigeren Gefrierpunkt hat als "Süßwasser. Dabei ist der Gefrierpunkt umso niedriger, je mehr Salz in dem Wasser gelöst ist. 

Für besonders Interessierte sei erwähnt, dass sich der Gefrierpunkt um 1,86° C pro Mol gelöster Ionen erniedrigt. Dabei ist ein Mol eine bestimmte Anzahl an Molekülen, die man ganz allgemein erhält, wenn man das Molekulargewicht des Salzes in Gramm nimmt. Zum Verständnis nehmen wir an, dass im Salzwasser nur Natriumchlorid (NaCl) gelöst ist.

Aus Tabellen erhält man für das Atomgewicht von Natrium einen Wert von rund 23 und für Chlor einen von 35. Beide addiert ergibt  mit 58 das Molekulargewicht von Natriumchlorid. wichtig ist darauf hinzuweisen, dass die 58 g im Wasser  zwei Mol sind - und zwar ein Mol Chlor und ein Mol Natrium.

Sofern man diese Menge, also zwei Mole Salz in ein Kilogramm Wasser (ungefähr gleich 1 Liter) auflöst, so erniedrigt sich der Gefrierpunkt dieser Lösung auf -1,86 = 3,72 °C.

Die Menge von 58 g in 1.000 g gelöst ergäbe einen Salzgehalt von rund 5,8 %. (58 g dividiert durch 1.000g). Der Salzgehalt des Atlantiks beispielsweise liegt bei rund 35 g pro 1.000 g Wasser, also 3,5 %.

Damit folgt für die Gefrierpunkterniedrigung des Atlantikwassers:
35/58 · -3,72° C = -2,25° C

Anders ausgedrückt: Das Wasser des Atlantiks gefriert erst bei -2,25° C. Bei den im Winter in der Arktis oder Antarktis herrschenden Temperaturen spielt die Gefrierpunkterniedrigung durch das Salzwasser jedoch nur eine geringe Rolle.

Festlandeis

In der Antarktis © goruma (Dr.Philips)

Eis in der Antarktis

Unter der Eisdecke der Antarktis befindet sich Festland und kein Wasser, so wie am Nordpol in der Arktis.

Etwa 13 Mio. km² des "Festlands sind von Eis bedeckt, wobei die mittlere Eisdicke ca. 2.200 m beträgt.

Die dickste Eisschicht mit einer Dicke von 4.775 m befindet sich in der Westantarktis im Marie- Byrd-Land.

Am dünnsten ist die Eisschicht an den bis zu 3.500 m hohen Bergen im Inneren des Kontinents.

Das Eis der Antarktis bindet 75 bis 80% der Süßwasserreserven der Welt. Die ersten Eispanzer bildeten sich vor ca. 25 Mio. Jahren und seit ca. 5 Mio. Jahren ist der Kontinent, so wie heute, von einem dicken Eispanzer bedeckt. Im Winter umfasst die Eisschicht zusammen mit dem Packeisgürtel des umgebenden Meeres eine gesamte Fläche von ca. 30 Mio. km².

Sollte übrigens das gesamte Eis der Antarktis schmelzen, so würde sich der Meeresspiegel um 50 bis 60 m heben - was das bedeuten würde dürfte jedem klar sein. Beim  vollständigen Abschmelzen des Grönlandeises wär es immer noch ein Anstieg um rund 7 m. Jedoch ist aufgrund der extrem niedrigen Temperaturen in der Antarktis mit einem Abschmelzen des Eises kaum zu rechnen - im Gegensatz zu Grönland, wo die sommerlichen Temperaturen durchaus Werte über dem Gefrierpunkt erreichen.

Die tiefste je auf der Erde gemessene Temperatur wurde am 21. Juni 1983 mit - 89,2° C bei der Wostok Station der damaligen Sowjetunion in der Antarktis gemessen.

Die Entstehung dieses Festlandeises ist der Entstehung von Gletschereis sehr ähnlich und lässt sich im Prinzip wie folgt verstehen:
Feiner Pulver-Schnee besitzt eine Dichte von nur ca. 0,05 g/cm³. Wasser besitzt zum Vergleich eine Dichte von rund 1 g/cm³. Da der Schnee in der Antarktis und Teilen der Arktis das ganze Jahr über liegen bleibt, erhöht sich seine Dichte, da er feuchter wird und ein Teil der eingeschlossenen Luft entweicht. Sofern im nächsten Winter neuer Schnee auf die alte Schneedecke fällt, wird diese zusammengepresst und ein weiterer Teil der eingeschlossenen Luft verdrängt, die Dichte steigt weiter an. Auf diese Weise bilden sich im Laufe der Zeit immer dickere und dichtere Schneemassen, die allmählich zu Eis verdichtet werden und zu Dichten des Eises über 0,9 g/cm³ führt.

Eis in der Arktis
Im Gegensatz zur Antarktis befindet sich in der Region des Nordpols Wasser, es ist das Nordpolarmeer. Diese Region ist von Meer-Eis bedeckt. Die Ausdehnung dieses Eises beträgt im Winter rund 15 Mio. km² und im Sommer mit 7 Mio. km² etwas weniger als die Hälfte. Die Dicke dieses Eises schwankt zwischen 0,5 m bis zu 6-8 m. Sofern dieser Meereismantel schmelzen würde, hätte das jedoch, wie bereits dargelegt, auf den Meeresspiegel keinerlei Einfluss. 

Grönland, das zur Arktis gehört, liegt unter einem dicken Eispanzer. Dabei sind ca. 1,7 Mio. km² der insgesamt 2.1 Mio. km² großen Insel von dem "Grönländischen Eisschild bedeckt.

Während die mittlere Dicke des Eises ca. 2.000 m beträgt, gibt es Stellen, an denen das Eis bis zu ca. 3.000 m dick ist. Das Volumen des Grönlandeises beträgt rund 2,85 Mio. km³. Sofern im Sommer das Eis an seiner Oberfläche schmilzt, bilden sich infolgedessen kleinere und größere Oberflächenseen, deren Wasser durch Gletscherspalten bis auf die felsige Oberfläche der Insel gelangt. Dadurch bilden sich unter dem Eispanzer Flüsse, auf denen das Eis in Richtung der See sozusagen gleiten kann. Das geschieht umso schneller, je mehr Wasser sich dort ansammelt. Aufgrund der gestiegenen Temperaturen und dem damit einhergehenden größeren Anteil an Schmelzwasser, kann man in den letzten Jahren eine beschleunigte Fließgeschwindigkeit des Grönlandeises beobachten.

Schelfeis

Das Festlandeis bewegt sich in Richtung auf das Meer zu und "fließt" dann am Ende  des Festlands in das Meer, wobei es nicht sofort abbricht, sondern eine Art schwimmende Eisplatte bildet.

Diese großen Eisplatten werden dann als Schelfeis, die zwar auf dem Meer schwimmen, aber noch mit dem Eis an Land  verbunden sind.

An den äußersten Rändern brechen dann immer wieder Eisberge ab und stürzen oft unter großem Getöse ins Wasser. Diesen Prozess der Entstehung von Gletschern bezeichnet man wird als "kalben".

Dort, wo sich das Schelfeis im Wasser über Untiefen schiebt, wirken diese wie eine Art Bremse bzw. wie ein Anker und verhindern, dass das nachdrängende Festlandeis das Schelfeis weiter und schneller in die See hinausdrückt. 

Der Bereich, wo das Festlandeis ins Wasser kommt, wird als Aufsetzlinie bezeichnet. Hier ist das Eis bis zu ca. 1.500 m dick, während es am Rand, wo das Schelfeis kalbt, nur noch wenige 100 m dick ist.

Die Fläche des Schelfeises beträgt in der Antarktis ca. 1,5 Mio. km², das sind etwa 11,5% der gesamten Eismasse der Antarktis - während es in der Arktis nur einige Tausend km² sind.
Die größten Schelfeistafeln der Antarktis sind beispielsweise: 

Ross-Schelfeisplatte mit einer Fläche von rund 487.000 km²
Filchner-Ronne-Schelfeisplatte mit einer Fläche von rund 449.000 km²
Larsen- C-Schelfeisplatte mit einer Fläche von rund 31.000 km²

Eisberge

Eisberge sind große im Wasser schwimmende aus Eis bestehende Gebilde.

Nach dem oben beschriebenen Archimedischen Prinzip verdrängen sie dabei genau die Masse am Wasser, die ihrer eigenen Masse entspricht. Das bedeutet, je dichter das Eis ist - je größer also ihre Dichte ρ ist - umso tiefer tauchen sie ins Wasser ein.

Besitzt ein Eisberg z.B. eine Dichte von 0,9 g pro cm³ (Wasser 1 g pro cm³), so befindet sich nach dem oben Gesagten nur ein Zehntel des Eisbergs oberhalb der Wasseroberfläche, während neun Zehntel im Wasser "verborgen" sind. 

Am Rand einer Schelfeisplatte brechen - wie oben unter Schelfeis dargestellt -  Eisberge ab. Da das Schelfeis relativ flach und eben ist, entstehen dabei die so genannten Tafeleisberge, die eine typische Form der Eisberge in der Antarktis darstellen. Diese Eisberge wandern dann, von der Meeresströmung getrieben, in wärmere Gewässer, wo sie dann allmählich abschmelzen und damit verschwinden. Der größte beobachtete Eisberg besaß eine Länge von 150 km bei einer Breite von 40 km. Auch heute bilden Eisberge noch eine beträchtliche Gefahr für die Schifffahrt. Daher gibt es mittlerweile über Satelliten sowie mit Hilfe von Spezialflugzeugen - besonders im Nordatlantik -  einen effektiven Eisbergwarndienst, u.a. mit aktuellen Eisbergkarten.

Sofern ein Eisberg oder anderes schwimmendes Eis - wie z.B. das Schelfeis - schmilzt, hat das absolut keinen Einfluss über die Höhe des Meeresspiegels, der bleibt exakt konstant. Dies lässt sich leicht mit Hilfe des Archimedischen Prinzips sowie der obigen Gleichung nachprüfen. Insofern würde in dieser Hinsicht ein Abschmelzen des polaren Eises keine Gefahr bedeuten. Ganz anders sieht es dagegen beim Abschmelzen von Festlandeis aus, diese Wassermassen kämen sozusagen zu dem bestehenden Wasser hinzu und würden damit natürlich den Meeresspiegel anheben.
Das Abschmelzen des Eises in der Antarktis würde den Meeresspegel jedoch - wie bereits erwähnt -  um 50 bis 60 m anheben - manche Wissenschaftler gehen sogar von über 70 m aus.

Packeis

Unter Packeis versteht man ineinander geschobene Eisschollen, also auf dem Meer, großen Seen oder auch in Flüssen gefrorenes Wasser. Dieses Packeis kann bis zu ca. 3,50 m dick werden.

Es sei darauf hingewiesen, dass sich das im Salzwasser gebildete Eis vom "Süßwassereis" unterscheidet. Beim Gefrieren von Salzwasser gefrieren nur die Wassermoleküle, während sich die Salzkristalle ablösen und absinken oder in einer Art  Poren im Eis verbleiben. Dadurch entstehen so genannte Solekanäle, die zu einer Art Drainagesystem im Eis führen. Das macht Salzwassereis einerseits porös, bietet aber andererseits z.B. Algen einen einzigartigen Lebensraum und spielt daher auch auf diese Weise eine wichtige Rolle für das Ökosystem.

Im Norden liegt die Packeisgrenze in der Regel bei einer geografischen Breite von etwa 80°. Packeis kann ab einer bestimmten Dicke von "normalen" Schiffen nicht mehr durchfahren werden. Eisbrecher jedoch können in der Regel auch derartige Eisdicken bewältigen, hier und dort, indem sie ständig auf das Eis auffahren, das dann unter dem Gewicht des Schiffes einbricht. Sofern Eisbrecher eine Fahrrinne bilden und diese freihalten sollen, stoßen sie seitlich Pressluft ins Wasser, was dazu führt, dass das Eis die Fahrrinne nicht allzu schnell wieder verschließt.