Perkolationsschwelle für vertikalen Fluidfluss durch körniges Meereis

Warum winzige Wege im Meereis wichtig sind

Meereis mag wie eine feste, leblos wirkende Fläche erscheinen, doch im Inneren ist es von mikroskopisch kleinen Kanälen mit salzigem Wasser durchzogen. Diese verborgenen Wege steuern, wie Wärme, Gase und Nährstoffe zwischen Ozean und Atmosphäre ausgetauscht werden, und beeinflussen damit alles von der Klimadynamik bis zum Überleben der Algen, die im Eis leben. Die Studie stellt eine einfache, aber entscheidende Frage: Ab welchem Punkt ist diese innere Rohrleitung des Meereises so verbunden, dass Wasser ungehindert auf- und abfließen kann? Die Antwort fällt ganz unterschiedlich aus, je nachdem, wie die Eiskristalle angeordnet sind — und diese Unterschiede haben große Folgen dafür, wie wir eine sich erwärmende Polarwelt modellieren.

Zwei Arten von Meereis, zwei sehr unterschiedliche Verhaltensweisen

Nicht alles Meereis ist gleich aufgebaut. In „säulenförmigem“ Eis wachsen die Kristalle als lange, vertikale Plättchen, mit Salzlake, die in geschichteten Lagen und Kanälen dazwischen gefangen ist. In „körnigem“ Eis ähneln die Kristalle eher einem Haufwerk kleiner Körner, wobei die Lake dünne Filme und Hohlräume zwischen den Körnern füllt. Frühere Arbeiten zeigten, dass säulenförmiges Meereis für einen großskaligen vertikalen Durchfluss im Wesentlichen undurchlässig wird, wenn das Salzlakevolumen unter etwa fünf Prozent fällt. Oberhalb dieses Wertes kann salzhaltige Flüssigkeit durch durchgehende Wege perkolieren. Diese einfache Faustregel ist als „Rule of Fives“ bekannt und wird in Meereismodellen weit verbreitet verwendet. Körniges Meereis, das in der Antarktis häufig vorkommt und in der dünneren, jüngeren arktischen Packeiszone zunimmt, wurde jedoch verdächtigt, sich anders zu verhalten, weil sein Lakenetzwerk weniger regelmäßig verbunden ist.

Bestimmen, wann Wasser sich bewegen kann

Um das Verhalten von körnigem Eis genauer zu erfassen, führten die Autorinnen und Autoren über hundert Feldmessungen auf antarktischem Jungpackeis während der SIPEX-II-Expedition durch. Sie bohrten teilweise vertikale Löcher ins Eis, dichteten die Seiten mit einem passgenauen Rohr ab und verwendeten Drucksensoren, um zu verfolgen, wie schnell Meerwasser von unten in das Loch hochstieg. Aus diesem „Bail-Test“ ließen sich Rückrechnungen anstellen, wie leicht Wasser unmittelbar unter dem Loch durch das Eis fließt. Diese Messungen kombinierten sie mit detaillierten Profilen zu Temperatur, Salzgehalt und Kristallstruktur aus benachbarten Bohrkernen, um sowohl den lokalen Lakegehalt als auch die Frage zu bestimmen, ob das Eis dort säulenförmig oder körnig war. Die Ergebnisse zeigten ein auffälliges Muster: Körniges Eis war praktisch undurchlässig bei einem Lakevolumen unter etwa zehn Prozent und wurde erst oberhalb dieser höheren Schwelle durchlässig.

Unterstützende Hinweise aus Farbstoff-Experimenten und einfachen Modellen

Die Autorinnen und Autoren werteten außerdem Farbstoff-Tracer-Experimente einer früheren Antarktisreise neu aus, bei denen gekühlte, gefärbte Flüssigkeit auf umgekehrte Eisblöcke gegossen wurde. In allen Fällen sank die gefärbte Flüssigkeit rasch durch eine obere, hoch durchlässige Schicht, stoppte aber schlagartig in tieferen, kälteren Lagen, in denen das Lakevolumen bei etwa zehn Prozent lag. Obwohl diese Versuche ursprünglich explorativ waren, bestätigten sie unabhängig die etwa zehnprozentige Grenze, die auch die Bail-Tests ergaben. Um zu verstehen, warum körniges Eis einen höheren Lakeanteil benötigt, um Flüssigkeit zu leiten, griffen die Forschenden auf ein einfaches Modell zurück, das ursprünglich für Gemische aus Polymer- und Metallpulvern entwickelt wurde. Durch das Vermessen der relativen Größen von Eiskörnern und umgebenden Lakefilmen in Mikrofotografien antarktischen Eises passten sie diesen „verdichteten Pulver“-Rahmen an und fanden, dass er auf natürliche Weise eine höhere Perkolationsschwelle für körniges Eis (etwa zehn Prozent) vorhersagt als für säulenförmiges Eis (etwa fünf Prozent).

Eine universelle Regel, verborgen in der Zufälligkeit

Über die bloße Identifikation der Schwelle hinaus prüfte die Studie Vorhersagen der Perkolationstheorie — eines Zweigs der statistischen Physik, der beschreibt, wie Konnektivität in zufälligen Systemen plötzlich entsteht. Oberhalb der Schwelle sagt die Theorie voraus, dass die Permeabilität einem einfachen Potenzgesetz folgt, abhängig davon, wie weit das System jenseits dieses kritischen Punktes liegt, mit einem sogenannten kritischen Exponenten, der „universell“ ist und nur von der Dimension abhängt, nicht von mikroskopischen Details. Überraschenderweise zeigten frühere Arbeiten, dass säulenförmiges Meereis sich so verhält, als teile es diesen Exponenten mit idealisierten Gittermodellen. Indem die Autorinnen und Autoren ihre neuen Permeabilitätsmessungen an körnigem Eis mit früheren Aufnahmen seiner Porenräume kombinierten, zeigen sie, dass auch körniges Eis dieser universellen Skalierung folgt. Sobald die etwa zehnprozentige Schwelle überschritten ist, steigt seine Permeabilität mit dem Lakegehalt auf nahezu dieselbe mathematische Weise wie sowohl beim säulenförmigen Eis als auch in abstrakten Modellnetzwerken.

Was das für Klima und Leben im Eis bedeutet

Für Forschende, die das polare Klima, die Ozeanchemie und die mit Eis verbundene Ökosysteme vorhersagen wollen, enthalten diese Erkenntnisse eine klare Botschaft: Man kann nicht von einer einzigen, einheitlichen Grenze dafür ausgehen, ab wann Meereis durchlässig wird. Körniges Eis, das einen großen Anteil des antarktischen Packeises ausmacht und in der Arktis häufiger wird, erlaubt großskaligen vertikalen Fluss erst, wenn der Lakeanteil etwa zehn Prozent erreicht — ungefähr das Doppelte der bekannten „Rule of Fives“ für säulenförmiges Eis. Diese höhere Schwelle beeinflusst, wie schnell Schmelzwasser abfließt, wie sich Tümpel an der Oberfläche bilden und wie effizient Nährstoffe und Gase durch das Eis transportiert werden. Zugleich stärkt die Entdeckung, dass beide Eistypen oberhalb ihrer unterschiedlichen Schwellen dieselbe universelle Skalierung zeigen, die Vorstellung, dass die statistische Physik eine kraftvolle, vereinheitlichende Sprache liefert, um das komplexe und sich verändernde Gefüge des polaren Meereises zu beschreiben.

Zitation: Golden, K.M., Furse, C.M., Gully, A. et al. Percolation threshold for vertical fluid flow through granular sea ice. Sci Rep 16, 11435 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41706-w

Schlüsselwörter: Permeabilität von Meereis, körniges Meereis, Perkolationsschwelle, polares Klima, Salzkanäle