eingeht (vgl. Gleichung. 2.18): "The essential idea in the model is to couple the dynamics to the ice thickness characteristics by allowing the ice interac-tion to become stronger as the ice becomes thicker and / or contains a lower areal percentage of thin ice"8 (Zitat s. Hibler [Hib79] p.815). Die Vorgabe fÄur das vorliegende Modell ist es, nicht nur die Eisparameter, sondern auch die physikalischen Prozesse im Eis direkt in der Materialgleichung widerzu-spiegeln.
Da das Mehrklassenmodell nach einer Testphase als Prognosemodell im ope-rationellen Betrieb, also in tÄaglicher Routine, laufen soll, muss es numerisch einfach handhabbar sein. Eine Äau¼ere Randbedingung ist es, die Rechenzeit zu begrenzen. Dies sollte bei der De¯nition der physikalischen Modellglei-chungen im Hinterkopf behalten werden.
Wie fÄur die in Kapitel 2.3 beschriebenen Modelle wird fÄur das hier vorliegende Modell vorausgesetzt, dass das Eis ein kontinuierliches zweidimensionales isotropes Material darstellt, was schon in Kapitel 2.1 begrÄundet wurde.
Die Darstellung der Eisstruktur beein°usst sowohl die thermodynamischen, als auch die dynamischen Gleichungen des Modells. Die Thermodynamik wird in Kapitel 5 ausfÄuhrlich erlÄautert. Der dynamische Teil beschreibt die Eisdrift und besteht vor allem aus der LÄosung der Impulsbilanzgleichung
mDv
Dt =¿a+¿w+FC +FN +FI
wie in Kapitel 2.1 beschrieben. Dabei sind die Schubspannungen des Ozeans und der AtmosphÄare abhÄangig von der Ober°Äachenrauhigkeit des Eises und somit auch von der Struktur. Dies soll jedoch vorerst vernachlÄassigt werden.
Stattdessen wird die Hauptintention auf die Darstellung der internen Kraft FI =r ¢¾ gerichtet, die durch¾ =¾( _") die Materialeigenschaften des Eises beschreibt.
mit den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern verschiedener Eisdienste (ma¼geblich dem Eisdienst des BSH, Hamburg) und Vergleichen mit den An-nahmen in anderen Eismodellen (s. LeppÄaranta [Lep94], [Lep81], Haapala [Haa00] u.v.a.).
Die WMO (World Meteorological Organisation) hat eine Terminologie fest-gelegt, die alle das Eis betre®enden FachausdrÄucke - wie Eisfeld, Brucheis, Eisrinne etc. - genau de¯niert (s. WMO [WMO89]). Somit ist es Eisfach-leuten weltweit mÄoglich, sich missverstÄandnisfrei zu unterhalten. Experten und Expertinnen der Eismodellierung und der Fernerkundung haben in ihren VerÄo®entlichungen vielfach eigene Begri®e eingebunden und die Darstellung somit verwaschen. In dieser Arbeit wird die Terminologie benutzt, wie sie im Allgemeinen von Modellierern und Modelliererinnen geprÄagt wurde, auch wenn dies zum Teil den Begri®sde¯nitionen des Eisdienstes widerspricht.
"WÄahrend der Eissaison sind Teile der Ostsee bedeckt mit Treibeisfeldern, die aus Eisschollen verschiedener GrÄo¼e und Dicke und aus o®enem Was-ser bestehen" (Zitat StrÄubing9). Die WMO-Nomenklatur unterscheidet ver-schiedenen Arten des schwimmenden Eises, von denen die Folgenden fÄur die Ostsee relevant sind.
² Pfannkucheneis - vorwiegend kreisfÄormige EisstÄucke mit einem Durch-messer von 30 cm bis 3 m
² Eisschollen - verhÄaltnismÄa¼ig °aches StÄuck Meereis mit einem Durch-messer von 20 m bis grÄo¼er als 10 km
² EisbruchstÄucke (bzw. kleine EisbruchstÄucke) - verhÄaltnismÄa¼ig °aches StÄuck Meereis mit einem Durchmesser von weniger als 20 m (bzw. we-niger als 2 m)
² TrÄummereis - Ansammlung von kleinen EisbruchstÄucken mit einem Durchmesser von weniger als 2 m
Als Vereinfachung werden in dieser Arbeit nur Schollen und kleinere Bruch-teile getrennt betrachtet. Eisgebiete, die aus kleinen EisbruchstÄucken oder TrÄummereis bestehen, werden somit im Folgenden als Brucheisfelder zusam-mengefasst.
9Dieses und die folgenden in diesem Kapitel vorkommenden Zitate von K. StrÄubing, Leiter des Eisdienstes des BSH, Hamburg, sind Ergebnisse von persÄonlichen GesprÄachen.
Als Besonderheit der Eisober°Äachenbescha®enheit werden von der WMO Ebenes Eis ("level ice", Meereis, das noch nicht deformiert worden ist) und deformiertes Eis unterschieden, wobei sich das deformierte Eis erneut unter-gliedert in Äubereinandergeschobenes Eis ("rafted ice"), PresseisrÄucken bzw.
ScherrÄucken ("(shear-)ridges") und aufgepresstes Eis("ridged ice"). Ä O®nun-gen im Eis reichen von kleinen Spalten ("cracks") bis zu schi®baren Rinnen ("leads") (s. WMO [WMO89]).
Die Verteilung der verschiedenen Eisarten, EisrÄucken und Spalten im Eis in einem Gebiet ist auf den Satellitenbildern zu sehen und wird durch die EisÄubersichtskarten widergespiegelt. Mithilfe einer zeitlichen Folge von Satel-litenbildern und der Interpretation dieser Bilder durch den Eisdienst kÄonnen in AbhÄangigkeit von der Eisdrift (konvergente, divergente oder scherende Eisdrift) verschiedene Entwicklungen beobachtet werden:
Bei einer konvergenten Eisdrift verringern sich die Gebiete o®enen Wassers, wobei es zu vielfachen Schollenkollisionen kommt. WÄahrend noch ein gro¼er Anteil o®enen Wassers vorhanden ist, fÄuhrt diese Bewegung nur zu geringen Deformationen der Eisschollen. Bei nur geringem Vorkommen von o®enem Wasser fÄuhrt ein weiteres Zusammenschieben jedoch dazu, dass BrucheisstÄ u-cke Äubereinander geschoben werden, so dass Presseis entsteht. DÄunnes Eis wird gebrochen (hÄau¯g am Rand zu den dickeren Eisfeldern), die BruchstÄucke stapeln sich Äubereinander oder sammeln sich auf bzw. unter dem ebenen dicken Eis. Bei konvergenter Eisdrift verschwinden nach und nach so erst das o®ene Wasser, dann das Brucheis und die Gebiete dÄunnen Eises, bis am Ende nur noch Gebiete dicken Eises und EisrÄucken vorhanden sind. Auch das dicke Eis bricht bei anhaltend starkem Druck und wird in Presseis umgewandelt.
Ausgehend von einer inhomogenen Eisdecke wird bei divergenter Eisdrift an-genommen, dass die Eis°Äachen auseinander driften und es dabei zu (leichten) Schollenkollisionen kommt, die die Eisschollen nicht verformen. Somit ver-grÄo¼ert sich der Anteil o®enen Wassers. Besteht bei einer Eisbedeckung von 10/10 (d.h. einer vollstÄandig eisbedeckten FlÄache) die Eisdecke aus Schollen unterschiedlicher Dicke, so "unterscheidet die Eisterminologie nur kompaktes oder auch zusammenhÄangendes, d.h. zusammengefrorenes Eis. Kompaktes Eis bewegt sich bei divergenter Eisdrift widerstandsfrei auseinander. Zusam-menhÄangendes Eis setzt einer divergenten Bewegung einen Widerstand ent-gegen bevor es bricht. Im Allgemeinen wird die Bruchkante jedoch an den ehemaligen Schollenkanten verlaufen" (Zitat StrÄubing).
Dieses Verhalten unterscheidet sich vom Verhalten einer homogenen Eis-decke, welche zumeist nur zu Beginn der Eissaison existiert. "Wenn Pfann-kucheneis bei tiefen Temperaturen zusammenfriert bildet es eine Eisdecke, der Bruch geht dann quer durch" (Zitat StrÄubing).
Die stÄarksten Auswirkungen von scherender Eisdrift werden an den RÄandern der Festeiskante beobachtet. Lose Eisschollen des o®enen Meeres werden durch Wind und StrÄomung an dem Eis entlang getrieben, welches fest an den KÄusten oder Archipelinseln verankert ist. Die Scherung fÄuhrt nicht zu einer Deformation der Eisschollen, falls die gleichzeitige Kompressionsbewegung divergent ist oder gro¼e Anteile des Gebietes eisfrei sind. Sind die Eisschollen jedoch dicht gepackt, so fÄuhrt eine konvergent scherende Bewegung dazu, dass kleinere BruchstÄucke von den Schollen abgerieben oder abgebrochen werden. Dieses Brucheis (sog. rubble ice) fÄullt zuerst die LÄucken zwischen den Schollen und sammelt sich dann ober- und unterhalb des Brucheisfeldes zu ScherrÄucken. Zitat StrÄubing: "Scherung und Konvergenz erzeugen eine deformierte Eisdecke, die als Brucheisfeld beginnt und als ScherrÄucken endet, dazwischen gibt es vielfÄaltige MÄoglichkeiten."
Abbildung 8: Eisschollen
Eisschollen treiben im Wasser. Durch Eisdrift oder DÄunung werden EisstÄucke von den Schollen abgebrochen. (Quelle: www.noaa.gov)
M. LeppÄaranta beschreibt die verschiedenen Eistypen und ihre Entwicklung wie folgt (Zitat s. LeppÄaranta [Lep94] p.307): "Based on the evolution of sea ice conditions, so called ice types are distinguished and shown an operational ice charts. Thermodynamic growth basically produces new ice thicknesses or ice categories (e.g. new ice, young ice, thin ¯rst-year ice) while the dominant features of "ice landscape" are created by dynamics. The packing density or the compactness A is de¯ned as the ratio of ice area to the total area of a region. Due to the drift, leads may open ond close rapidly. In compression of compact ice ¯elds, large thin ice sheets may raft or ice may break into smaller blocks which accumulate into ridges and rubble. Rafting occurs in thin ice, thickness less than 10-20 cm causing local doubling of the ice thickness, and ridges and rubble ¯elds form of thicker ice."10