Modellergebnisse

Abbildung 6.2: Die von den internen Kräfte u m Meereis geleistete Deformations- arbeit pro Fläch W [10"3W/m2] i m Jahresmittel 1987. Starke Deformation findet nördlic Grönland und in anderen Küstenregione statt. In der zentralen Arktis ist die Deformation geringer, gleichwohl noch deutlich sichtbar. Übe den eurasischen Schelfaebieten wird das Meereis nur schwach deformiert.

86 KAPITEL 6. DIE RA UHIGKEIT DES EISES Abb. 6.2 zeigt die räumlich Struktur, in welchen Regionen interne Kräft im Mittel des Jahres 1987 Deformationsarbeit am Eis verrichten. Ein Maximum der Verformungsarbeit ist nördlic und östlic Grönland erkennbar, wo sich dickes, kompaktes Eis befindet. Allgemein tritt an Küste relativ starke Deformation auf, währen die Verformungsarbeit in der zentralen Arktis schwächer gleichwohl deut- lich erkennbar ist. Fü andere Jahre ergibt sich ein ähnliche räumliche Muster.

Die Stärk der von den internen Kräfte verrichteten Arbeit liegt im Jahresmittel in der Grö§enordnu 1 0 3 bis 1 0 2 W / m 2 . Aufgrund des ausgeprägte saisonalen Zyklus geht diese Arbeit im Sommer nahezu auf Null zurück währen sie im Winter Spitzenwerte von mehr als 1 0 ' W / m 2 erreicht. Die flächenbezogen Def~rmat~ions- arbeit hat die gleiche Dimension wie die thermodynamischen Wärmeflüss Energie pro Zeit und Fläch [ W / m 2 ] . Der Unterschied besteht jedoch darin, da die ther- modynamischen Wärmeflüs das Eis unter Überwindun der sehr hohen latenten Wärm des Wassers erzeugen oder schmelzen, währen die internen Krafte eine Ver- formung bereits vorhandenen Eises bewirken, die schon bei wesentlich niedrigerem Energieaufwand sichtbare Resultate erzeugt.

Der Gröfienordnun nach liegt die Verformungsarbeit mit rund 0.1 W / m 2 weit unter den thermodynamischen Wärmeflüsse die sich im Bereich mehrerer hun- dert W / m 2 bewegen. Dies bedeutet, da die bei der Deformation freigesetzte Rei- bungswärm allenfalls unbedeutende Mengen des Eisvolumens schmilzt, die Ver- formung also praktisch massenerhaltend stattfindet. Der Überwiegend Anteil der Verformungsarbeit geht in das Aufbrechen des Eises in Bruchstück und in den Auf- bau potentieller Energie, wenn diese übereinandergeschobe werden (Hopkins et al., 1991). Fü die hier zu leistende mechanische Arbeit ist eine Leistung von rund 0 . 1 W / m 2 im Winter durchaus beträchtlich

Einen Eindruck von der Grö der Krafte, die da-s Meereis verformen, gibt fol- gendes Gedankenexperiment: Würd die Leistung 0.1 W / m 2 allein zum vertikalen Anheben des Eises verwendet, könnt eine 1 m dicke Eisscholle oberhalb der Wasser- linie um rund 1 m pro Tag, oder entsprechend 30 m pro Monat, angehoben werden.

Die zur Verformung zur Verfügun stehende potentielle Energie entspräch der, die nach einem freien Fall dieser Scholle bei einem Aufprall auf eine feste Oberfläch freigesetzt würde

Die von den internen Kräfte geleistete Arbeit tritt bei zwei Prozessen auf:

bei konvergenter Eisdrift, die eine Akkumulation von Eis in einer Region bewirkt, und bei Scherströmun des Eises, wenn sich unterschiedlich schnell bewegende Eis- schollen seitlich aneinander vorbeibewegen und dabei miteinander kollidieren. Das Verhältni

ist ein Ma dafür wie gro der Anteil der Konvergenz an der insgesamt geleiste- ten Arbeit durch interne Krafte ist. Das Jahresmittel von rc fü 1987 ist in Abb. 6.3 gezeigt, das in den anderen Jahren der Simulation sehr ähnlic aussieht.

Fü weite Bereiche der zentralen Arktis liegt der Anteil rc durch Konvergenz bei 40%, d. h. der mit 60% überwiegend Anteil der Deformationsarbeit wird von den

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Abbildung 6.3: Der Anteil rc [%] der I<onvergenz der Eisdrift an der gesamten von den internen Kräfte geleisteten Arbeit i m Jahresmittel 1987. Der andere Anteil stammt von Scherkräften die die Differenz zu 100% ausmachen. I m Mittel wird rund ein Drittel der Deformationsarbeit aufgrund des Widerstandes gegen konver- gente Eisdrift geleistet, währen Scherkräft mit zwei Dritteln fü den überwiegende Anteil der Deformation verantwortlich sind. A n Küste ist der relative Anteil der Scherkräft besonders hoch, der Beitrag durch Konvergenz dementsprechend kleiner.

Scherliräfte geleistet. An Küste ist rc noch kleiner, der Beitrag der Scherkräft dementsprechend höher Die Scherkräft tragen in diesem viskos-plastischen Modell also entscheidend zur Eisdynamik bei, so da nicht zu erwarten ist, da Modelle ohne Scherkräfte z. B. das ,,cavitating fluid modelL1 von Flato und Hibler (1992), ähnlich Simulationsergebnisse e r b ~ i n g e n . ~

Die vier Abbildungen 6.4-6.7 zeigen die Eisrauhigkeit R fü jeweils zwei Winter- und Sommersituationen. In diese Eisrauhigkeit, deren Zeitentwicklung durch die prognostische Gl. 6.5 beschrieben wird, geht die Entstehung der Rauhigkeit durch die Deformationsarbeit der internen Kräfte die Advektion rauhen Eises mit der Eisdrift und schlie§lic das Verschwinden der Rauhigkeit mit dem Eisschmelzen ein.

In allen vier Abbildungen erkennt man eine Grundstruktur im räumliche Mu- ster: Nördlic Grönland und des kanadischen Archipels ist das Eis besonders rauh. In der zentralen Arktis werden mittlere Werte der Eisrauhigkeit prognosti- ziert, währen das Eis übe den eurasischen Schelfgebieten nur geringe Rauhigkeit aufweist. Man erkennt deutlich, wie sich von dem rauhen Eis nördlic Grönland eine durch die Eisdrift im Beaufort-Wirbel erzeugte Zunge nach Westen erstreckt, was die wichtige Rolle der Advektion belegt. Zugleich sieht man in der geringen Rauhigkeit nördlic Sibiriens den thermodynamisch bedingten Effekt, da in dieser Hauptproduktionszone des Eises im Sommer das Eis weitgehend schmilzt, so da hier im Winter weite Fläche neuen, glatten Eises gefrieren. So kann anhand der neu eingeführten prognostischen Grö Eisrauhigkeit das Zusammenspiel von Dynamik und Thermodynamik beim Aufbau der Eisdecke studiert werden.

Im Vergleich zwischen den Sommer- und den Wintersituationen ist festzustellen, da die simulierte Eisrauhigkeit im Winter generell geringer ist. Der in der Natur auftretende Zyklus, da im Winter neues, zunächs glattes Eis gefriert, im Sommer dann lediglich altes, dickes, recht ra,uhes Eis das Schmelzen Ÿbersteht wird vom Modell realistisch wiedergegeben.

Ein Vergleich der beiden Jahre 1987 und 1992 liefert ein eindrucksvolles Beispiel fü die durch das Windfeld erzeugte interannuale Variabilitä der Eisdecke: Währen 1987 das rauhe Eis vom Wind relativ weiträumi übe die zentrale Arktis verteilt wurde, ist 1992 eine ausgeprägt Anhäufun rauhen Eises nördlic Grönland zu erkennen. Mit dem hier vorgestellten Modell der Eisrauhigkeit als prognostischer Grö kann also das entstandene rauhe Eis als ),Tracerx auf seinem weiteren Weg im polaren Wirbel verfolgt werden, und die stark durch die Atmosphär geprägt Variabilitä der Eisverhältniss wird deutlich.