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17.04.2019

Abschmelzen des Grönland Eises mit Xylems SonTek Technologie messen

Brandon Overstreet mit dem auf einem HydroBoard II montierten SonTek RiverSurveyor M9 (mit freundlicher Genehmigung von Lincoln Pitcher).

Ein Team von Feldforschern untersucht das Grönland Eisschild, um Antworten auf einige wichtige Fragen zu erhalten: Wie schnell rinnt das Schmelzwasser ins Meer? Wie beschleunigt bzw. verlangsamt das Schmelzwasser die Bewegung des eigentlichen Gletschers? Mithilfe von Xylems SonTek Technologie untersuchten die Forscher, wie sich der Lauf der supraglazialen Schmelzwasserströme, die auf der Oberfläche der Eisdecke verlaufen, im Laufe eines Tages verändert.

Ihre Felddaten werden dazu beitragen, die Genauigkeit mathematischer Modelle zur Gletscherschmelze zu verbessern.

Untersuchung des Schmelzprozesses des Grönland Eisschilds
Das Grönland Eisschild ist 2 400 km lang und besteht aus 2,8 Millionen Kubikmetern Eis. Erhebungen unterteilen die Gletscher, aus denen das Eisschild besteht, in einzelne Zonen.

Die Schmelzwasserforschung untersuchte bislang in erster Linie die Flüsse im Randbereich des Eisschilds. Im Jahr 2012 lieferte eine von Laurence C. Smith und Rutgers Professorin Åsa Rennermalm geleitete Expedition jedoch seltene, direkte Abflussmessungen der Flüsse, die auf der Gletscheroberfläche verlaufen. Diese Zone des Eisschilds, in der die Abflussmengen hoch sind, ist ideal, um zu untersuchen, wie das Eisschild im Zuge des Klimawandels schmelzen wird.

Die Feldarbeit des Teams im Jahr 2012 war revolutionär und bewies, dass die neuesten Werkzeuge und Techniken aus gemäßigten Klimazonen auch in der Arktis erfolgreich eingesetzt werden können.

Drei Tage Gletscherflussüberwachung
2015 kehrten Smith, Rennermalm und ihr Team in den Südwesten Grönlands zurück, um den über den Zeitraum von drei Tagen kontinuierlich überwachten Schmelzwasserabfluss zu untersuchen. Die Expedition 2012 hatte Momentaufnahmen von der Bewegung des Schmelzwassers geliefert, die Studie 2015 – und deren Nachuntersuchung aus dem Jahr 2016, bei der derselbe Strom über den Zeitraum von sieben Tagen stündlich gemessen wurde – lieferte einen Film.

„2012 lag über supraglaziale Abflussraten – vor allem der großen Ströme im Inneren des Grönland Eisschilds – kaum Material vor, daher verfolgten wir die Strategie, ‚Daten von so vielen Strömen wie möglich zu sammeln‘“, erklärt Brandon Overstreet, ein Absolvent der University of Wyoming und Teilnehmer der Expedition. „Wenn man den Abfluss jedoch nur zu einem Zeitpunkt misst, fehlt einem ein großer Teil des Bildes. 2015 konzentrierten wir uns wieder auf nur einen Fluss, um zu ermitteln, wie sich der Abfluss im Laufe eines Tages verändert.“

Felddaten stimmten nicht mit Modellvorhersagen überein
Das Smith/Rennermalm-Team wählte einen supraglazialen Fluss für die Untersuchung aus, den sie nach einem Kollegen Rio Behar nannten. 72 Stunden lang zeichneten sie den Abfluss sowie detaillierte Wettermessungen auf. Sie erstellten eine reale Datenbank über den Lauf des Wassers und die Bedingungen vor Ort. Sie arbeiteten mit Modeling-Teams zusammen, die Modelle mit meteorologischen Daten des Standorts erstellten, um ihre Felddaten mit den Modellergebnissen zu vergleichen.

Das Team stellte fest, dass die Modelle der Oberflächenmassenbilanz den Abfluss um 21 bis 58 Prozent überschätzten. Außerdem stellte das Team eine Verzögerungszeit von 0,4 bis 9,5 Stunden zwischen Perioden mit starker Schmelzaktivität und dem Anstieg der Abflussmenge des Flusses fest, die sich in den Modellvorhersagen nicht widerspiegelte.

Herausfinden, wie große Schwankungen im Abfluss gemessen werden können
Einer der bemerkenswertesten Aspekte des Tageszyklus im Schmelzwasserstrom war die schiere Größe der Schwankungen. Der Abfluss des Rio Behar konnte je nach Tageszeit zwischen 4,61 und 26,73 Kubikmeter pro Sekunde variieren. Die Breite und Tiefe der Rinne unterschied sich enorm, um die Veränderungen des Abflusses aufzunehmen.

Das stellte die Forscher vor eine große Herausforderung. Sie hatten bewiesen, dass die akustische Doppler-Profilierung selbst in dem sehr sauberen Wasser supraglazialer Flüsse funktioniert, in denen die Signale von winzigen Blasen und Eiskristallen im Wasser zurückgeworfen werden.

Laut Brittany Jenner, Anwendungstechniker für Xylems SonTek Marke, sind die Frequenzen, die bei flachem, langsamer fließendem Wasser am besten funktionieren, nicht unbedingt auch in tieferen Rinnen mit schneller Strömung am effektivsten.

SonTek RiverSurveyor-M9 für qualitativ hochwertige Messungen
In tiefem Wasser eignet sich ein akustisches Signal mit niedrigerer Frequenz und längerer Wellenlänge, um klare Messungen von Ufern und Boden sowie der Geschwindigkeit und Richtung des Abflusses zu erhalten, die alle zur Volumenberechnung verwendet werden. Ein höherfrequentes, kürzeres akustisches Signal liefert ein klareres Profil der Geschwindigkeit und des Abflusses in flachem Wasser.

Das Grönland-Team verwendete einen SonTek RiverSurveyor-M9, der automatisch anhand der Tiefen- und Geschwindigkeitswerte feststellt, ob für die qualitativ hochwertigsten Messungen seine 1,0-MHz- oder 3,0-MHz-Strahlen verwendet werden sollten, erklärt Jenner. Die RiverSurveyors SmartPulse HD-Technologie wählt auch die Größe der Sampling-Zelle aus, um die Messung unter den gegebenen Bedingungen zu optimieren.

Während der Untersuchung wurde der RiverSurveyor-M9 auf einem SonTek HydroBoard IImontiert, das von Ufer zu Ufer gezogen wird, um entlang eines Transektes Daten zu sammeln. Das Grönland-Team zeichnete stündlich mindestens vier Transekte auf.

Bessere wissenschaftliche Erkenntnisse über das Gletscherschmelzen
Ende 2017 veröffentlichte das Team die Rio Behar-Daten von 2015 sowie die Vorhersagen von fünf führenden Eisschmelzmodellen. Die Autorengruppe der in Proceedings der National Academy of Sciencesveröffentlichten Arbeit setzte sich aus einer Reihe von Forschern unterschiedlicher Fachgebiete zusammen. Dazu gehörten nicht nur Geologen und Hydrologen wie Smith, Rennermalm und die winterfesten Studenten, die die Messungen durchgeführt hatten, sondern auch Jenner und eine Gruppe anderer Experten aus dem Bereich Klimawissenschaft und Modellierung.

Für Brandon Overstreet definieren die zahlreichen Reisen zum Grönland Eisschild den Wert – und das Aufregende – der Feldarbeit. Sie ermöglichen eine Detailebene, die bei Satellitenbildern oder wissenschaftlichen Fly-bys nicht erreicht werden kann.

„Mein erster Eindruck des Grönland Eisschilds war eine große, gesichtslose Landschaft, die nur an den Rändern interessant war, d. h. dort, wo die Eisberge kalben“, erzählt er. „Dabei gibt es auf der der Oberfläche des Eises dieses unglaubliche, dynamische System aus Wasserläufen, die sich wie terrestrische Flüsse verhalten – man könnte auch sagen, dass es sich um terrestrische Flüsse im Schnellgang handelt.

Ich möchte nicht in einer Welt leben, in der Informationen nur per Satellitenbild einholt werden“, fügt er hinzu.

Autoren: Steve Werblow, Staff Writer, Mission: Water.

Bild: Brandon Overstreet mit dem auf einem HydroBoard II montierten SonTek RiverSurveyor M9 (mit freundlicher Genehmigung von Lincoln Pitcher).

Quelle: Xylem

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