Istyper - termodynamisk isvækst

Figur 1. Drivis ud for Østkysten af Grønland i februar 2000. Det meste af denne is er adskillige år gammel, såkaldt flerårsis fra Polarhavet.
I roligt vand kan iskrystallerne vokse uforstyrret, og der dannes en meget jævn og glat is med lange lodrette krystaller. Denne type is kaldes nilas is. Ung/tynd nilas is er delvis gennemsigtig for lys og ser mørk ud. Efterhånden som nilas bliver ældre og tykkere, bliver den lysere, og det meste lys vil blive kastet spredt tilbage fra isens overflade. Kun lidt lys kan nu trænge igennem isen.

Figur 2. Her er vist forholdet mellem havvandets saltholdighed og temperaturen ved maksimum densitet og ved frysepunktet. Salt havvand har en lavere temperatur ved maksimum densitet og et lavere frysepunkt end ferskvand. Da saltholdigt havvand har den højeste densitet ved frysepunktet, synker det, når overfladen afkøles.

Når isen dannes under vind og bølgebevægelse, lægger iskrystallerne sig mere tilfældigt, og der dannes en suppe af iskrystaller i vand, som kaldes frazil-is. Hvis afkølingen fortsætter udvikler denne frazil-is sig gradvis til større og tykkere isflager, som med tiden danner karakteristisk hævede kanter. Denne istype kaldes pandekageis, og har en tykkelse på 20-30 cm og 1-2 meter i diameter.

Havis indeholder meget mindre salt end det havvand, den er dannet af. Typisk mindre end en tredjedel (5-15‰ er typiske værdier for saltholdigheden i yngre havis). Salt passer ikke ind i isens krystalstruktur, men i begyndelsen af isdannelsen bliver noget af havvandet fanget som urenheder i lommer imellem iskrystallerne. Saltholdigheden i disse saltlommer stiger gradvist, efterhånden som flere og flere af vandmolekylerne under fortsat afkøling slutter sig til iskrystallerne.

Når isen bliver tykkere og ældre, danner den typisk større isflager. Denne istype kaldes førsteårs-is eller FÅ-is. Førsteårsis kan vokse med op til 2 meter i tykkelse i løbet af bare en vinter i meget kolde områder. Mere typisk er dog en tykkelse på 0,5-1,5 meter. Om vinteren aflejres sne på isen. Det er typisk med et snelag på 5-30 cm på førsteårsis.

Om sommeren smeltes sneen og isen af sollyset og temperaturer over nulpunktet. Vandpytter af smeltevand kan dannes på isens overflade. De kaldes smeltevandssøer. Smeltevandet løber også igennem isen i kanaler, der typisk løber igennem de lommer, hvor saltvandet var fanget om vinteren. Denne proces reducerer saltholdigheden i isen dramatisk, og hvis isen overlever sommeren, er saltholdigheden typisk dalet til 0-3‰. Denne is kaldes mangeårsis eller MÅ-is. I løbet af flere vintre kan isen vokse til en tykkelse af op til 3-4 meter.

Is-tykkelse og is-densitet
Ud over den termodynamiske isvækst i den kolde arktiske vinter, så kan is også vokse i tykkelse ved mekanisk kraft. I fotoet af nilas is i figur 2 ses lysere områder, hvor isflagerne er stødt sammen og skruet op over hinanden (to lag af tynde isflager over på hinanden). I den kolde vinter er Polarhavet næsten helt fyldt med is, der konstant holdes i bevægelse af de fremherskende vinde. Denne bevægelse skaber ofte smalle åbninger mellem to flager af gammel og tykkere is. Disse åbninger fryser hurtigt til igen med tynd is. Når vinden skifter og flagerne presses sammen igen, knuses den tynde is og bliver presset op oven på og ned under de tykkere flager, og sådan dannes de såkaldte is-kamme. Sådanne kamme kan blive adskillige meter høje og kølen under isen kan stikke mere end 20 meter ned i havet.

Den tykkeste og mest deforme is i Polarhavet findes nord for Grønland og Canada i Lincolnhavet. Her kan den gennemsnitlige istykkelse være mere end 6 meter. Havisens densitet ligger typisk mellem 800 og 900 kg/m3, hvilket betyder at kun 10-15% af isen ses over vandet, og at 80-90% er under havoverfladen.

Is-drift
Havis driver med vinden og med havstrømmene. Isens drivhastighed er typisk 2-4% af vindhastigheden afhængig af istype og koncentrationen af is. I den centrale del af Polarhavet, hvor isdækket er næsten totalt om vinteren, kan isen ikke altid bevæge sig frit, så drivhastigheden kan være meget langsommere selv, når stærke vinde blæser. Typiske drivhastigheder i Polarhavet er omkring 5 cm/s eller ca. 5 km/dag, mens isen kan drive mere end 80 km om dagen langs med østkysten af Grønland, hvor der også er en stærk havstrøm.

Albedo refleksion
Havet ser sort ud (eller mørkeblå), mens isen er hvid. Det betyder, at mens det meste af det sollys, der rammer vandoverfladen, bliver absorberet og brugt til at opvarme havet, så bliver det meste af det sollys, der rammer isen, kastet tilbage og hjælper altså ikke med at smelte isen. Det er en vigtig mekanisme i det arktiske klimasystem. Jordens lysrefleksionskoefficient kaldes Albedo, og refleksionsmekanismen kaldes Albedo-effekten.

1. Når isen trækker sig tilbage på grund af opvarmning, vil mere solstråling ramme vandoverfladen, og havtemperaturen vil stige.
2. Den højere havtemperatur vil forsinke isdannelsen den følgende vinter, og isen vil følgelig blive tyndere.
3. Den tyndere is vil smelte hurtigere det følgende forår, og den isfri periode bliver længere og efterlader en endnu større havoverflade åben for solopvarmning.
4. Tilbage til 1)!

Denne mekanisme er en del af forklaringen på, hvorfor den globale opvarmning bliver forstærket i artiske egne.

Saltudskillelse
Som tidligere nævnt indeholder havisen meget mindre salt end det omgivende havvand. Når isen dannes, bliver den ekstra salt udskilt til de øverste lag i havet, og derved øges overfladevandets densitet. Det er en almindelig mekanisme i polaregnene til at øge overfladevandets saltholdighed og dermed også densitet. Vand med højest densitet vil efterhånden synke til lavere dybder i havet. Dette er en vigtig mekanisme til at udskifte det dybe vand i havet.

Satellitobservationer af is
Synlige instrumenter
Kortlægning af havis var en af de første anvendelser af satellitobservationer, som startede i 1970erne. I begyndelsen brugte man instrumenter til synligt lys, som fungerer næsten som digitale kameraer. Ulempen ved ”synlige instrumenter” i de arktiske egne er, at de er afhængige af solen som lyskilde og derfor ikke kan fungere i den lange polarnat (blitz fra en højde af 800 km er ikke særligt praktisk!)

Infrarøde instrumenter
Lysproblemet blev løst ved at gå over til måling i infrarødt lys om vinteren. Termisk infrarød stråling er stærkere fra det varmere hav (ca. -1,7º C) end fra det koldere is (-5º til -30º C), så is og vand kan skelnes.

Som det kan ses i det termisk infrarøde billede er skydækket en væsentlig ulempe ved disse satellitobservationer. Hverken synligt lys eller infrarød stråling kan trænge igennem skyerne, og man kan ikke observere isen, når en region er dækket af skyer. Uheldigvis har mange arktiske områder meget vedholdende skydække.

Mikrobølgeradiometri
I slutningen af 1970erne blev det muligt at lave mikrobølgestråling fra satellitterne og det løste problemet med skydækket. Mikrobølgestråling trænger igennem skyerne og kan benyttes til at observere is hele året rundt. I mange år var mikrobølgestråling (måling af termisk mikrobølgestrålingreflektion fra jorden) det værktøj, der blev brugt til at observere det skiftende isdække ved polerne. Den termiske mikrobølgestråling er meget lig den termiske infrarøde stråling; den har bare en længere bølgelængde. Strålingen udsendes af alle overflader på Jorden, men den spektrale sammensætning varierer fra overflade til overflade. Is udsender mere mikrobølgestråling end vand, og gammel is udsender mindre stråling på kortere bølgelængder end yngre is på grund af forskellene i isens saltholdighed.

Mikrobølge radiomåling er stadig grundstenen i den globale isovervågning og har været i brug næsten uafbrudt siden 1978. Jordobservationerne sker ved hjælp af en parabol som dem, der anvendes til modtagelse af satellit TV. De første paraboler var ca. 70 cm i diameter, men i dag opstilles paraboler med en diameter på næsten 2 m.

De større paraboler giver en smallere stråle og dermed en bedre opløsning. Den bedste opløsning i de tidligere systemer var omkring 30 km, hvor de nyeste radiometre har detailopløsning helt ned til ca. 3 km. Mikrobølge radiometrene måler typisk mikrobølgestråling i mange forskellige bølgelængder, der tillader at skelne mellem is og vand, men også mellem mangeårs- og førsteårsis.

Synthetic Aperture Radar (SAR)
Canada, som har en meget lang isdækket kystlinje, introducerede i 1995 en ny type mikrobølgeinstrument, som havde til hovedformål at overvåge isen om vinteren.

Instrumentet kaldes Synthetic Aperture Radar eller SAR. Den sender et radarsignal mod jJorden, som bliver reflekteret eller spredt af Jordens overflade, og instrumentet optager omhyggeligt det returnerede signal. Ved en avanceret teknik bliver det returnerede signal konverteret til et detaljeret radarbillede af overfladen.

I 2001 indførte det Europæiske Rumfarts Agentur et mere avanceret SAR system på deres ENVISAT satellit.

Radaren genererer sit eget signal og behøver derfor mere energi til at køre end et mikrobølge radiometer. Det betyder, at et SAR instrument ikke kan fungere hele tiden på en satellit, som kører på solenergi, men kun i ca. 20% af tiden.

ENVISAT’s SAR kan fungere med et lavere energiforbrug, som ikke giver så fin en opløsning, men den kan til gengæld fungere konstant, når der ikke kræves en højere opløsning. Denne såkaldte GMM, Global Monitoring Mode, bruges af aktive iscentre i hele verden til rutineovervågning af mindre besejlede havområder (GMM har en detailopløsning på 1 km), og den højere opløsning WSM, Wide Swath Mode, bruges i de mere trafikerede områder som det sydlige Grønland og Østersøen.

Da skanningsbredden af SAR kun er 450 km, giver instrumentet ikke fuld dækning af Polarregionerne hver dag. De aktive iscentre er derfor typisk afhængige af forskellige supplerende data som f.eks. mikrobølgeradiometer og infrarøde billeder ud over SAR data.

Havis i den arktiske zone
Havis dækker 5-6 mill. km² på den nordlige halvkugle ved sommer minimum og ekspanderer til 13-15 mill. km² ved vinter maksimum.

På den nordlige halvkugle er havisdækket blevet reduceret over de seneste 30 år, og endvidere har undervandsobservationer vist tegn på en væsentlig reduktion i isens tykkelse siden1960erne.

Registreringer af den arktiske havis fra tiden før satelitterne er sporadiske, men de synes at antyde en reduktion af havis i mange områder over de seneste hundrede år.