Ett år i isen

För 127 år sedan drev den norske polarfararen ­Fridtjof ­Nansen runt Nordpolen ombord på fartyget Fram. Nu följer en ny expedition i hans fotspår. I ett år ska forskningsfartyget ­Polarstern sitta fast i isen för att undersöka hur det kommer sig att den försvinner.

För 127 år sedan drev den norske polarfararen ­Fridtjof ­Nansen runt Nordpolen ombord på fartyget Fram. Nu följer en ny expedition i hans fotspår. I ett år ska forskningsfartyget ­Polarstern sitta fast i isen för att undersöka hur det kommer sig att den försvinner.

Lukas Piotrowski/AW

Med kanonsaluter och jubel från tusentals norrmän lägger det ovanliga fartyget Fram ut från kajen den 24 juni 1893. Från den trygga hamnen i Kristiania (dagens Oslo) seglar den korta, breda och rundbottnade skonaren ut ur fjorden.

Sedan går turen norrut längs Atlantkusten, till Barents hav, Karahavet och Laptevhavet nära Nysibiriska öarna, 600 mil bort.

Det i sig är en farofylld resa, men den är ingenting jämfört med vad expeditions­ledaren Fridtjof Nansen har tänkt sig. Han beordrar fartyget in i packisen, där det fryser fast.

Tanken är att det specialbyggda fartyget och den handplockade tolv man starka besättningen ska bli först i världen med att driva med den nyupptäckta transpolära isdriften hela vägen över Norra ishavet till geografiska nordpolen.

© F. Nansen/Archibald Constable & Co.

Nansen försöker tillryggalägga den sista biten med hundsläde, men når aldrig Nordpolen. Han kommer dock betydligt närmare än någon annan och han för därmed den nya arktiska forskningen framåt med stormsteg.

Forskare och äventyrare har beundrat Nansens bedrifter, och 126 år efter hans Nordpolsförsök bryter sig historiens dyraste och mest ambitiösa polarexpedition i september 2019 fram mot Norra ishavet.

Ombord på den tyska forskningsisbrytaren Polarstern ska 300 forskare från 19 länder frysa sig fast i isen. Med toppmodern utrustning och tekniska hjälpmedel som Nansen bara hade kunnat drömma om ska forskarna lägga det stora polarpusslets sista bitar.

Arktis förändras i rekordfart

Expeditionen MOSAiC (Multidisciplinary drifting observatory for the study of arctic climate), som har varit på väg i tio år, kostar cirka 1,4 miljarder kronor. I ett av jordens mest otillgängliga och mest ogästvänliga områden ska forskningsfartyget från sin fastfrusna position driva med isen förbi Nordpolen.

© Shutterstock

Polarstern kom närmast Nordpolen

År 1893 lät den norske polarfararen Fridtjof Nansen sitt fartyg Fram frysa fast i isen och driva mot Nordpolen. Men fartyget rörde sig för mycket österut varpå Nansen lämnade Fram. Med hundsläde lyckades han ta sig 420 kilometer från geografiska nordpolen och kom därmed närmare målet än någon tidigare gjort. I februari 2020 passerade forskningsfartyget Polarstern på 158 kilometers avstånd, det närmaste geografiska nordpolen ett fastfruset fartyg har varit.

Med hjälp av frekventa mätningar under tiden dokumenterar forskarna bland annat isens förändringar. De har emellertid fullt upp, för i och med den globala uppvärmningen förändras Arktis snabbare än någon annan plats på jorden.

Just de frekventa mätningarna och möjligheten att studera samma is i ett helt år är de främsta skälen till att forskarna låter fartyget frysa fast i packisen.

Men medan Nansen och hans besättning år 1893 själva seglade Fram till iskanten norr om Sibirien och deltog i hela den drygt tre år långa expeditionen, utförs arbetet ombord på Polarstern i tvåmånadersskift.

Varje grupp består av 53 forskare och 44 besättningsmedlemmar som seglas till Polarstern.

© Martin Künsting/AWI & Shutterstock

Polarstern driver med isen i ett år

Med bas på Polarstern har MOSAiC-projektets forskare tillgång till samma isflak och is i ett helt år. Det skapar unika möjligheter för forskarna att förstå naturen i Arktis, där den globala uppvärmningen går mer än dubbelt så fort som på övriga planeten.

© Martin Künsting/AWI & Shutterstock

Fartyget fungerar som en flytande stad

Isbrytaren Polarstern är forskarnas säkra hamn med kabyss, sovplatser, sjukvårdsinrättning och laboratorier. En datacentral ­ombord ser till att alla mätningarna från de många projekten registreras och förvaras på ett säkert sätt.

© Martin Künsting/AWI & Shutterstock

Borrprover undersöks i laboratorier

Forskarna tar regelbundet prover av isen och snön, som de sedan undersöker i laboratoriet ombord på Polarstern. Proverna visar bland annat hur isen smälter och fryser säsong efter säsong.

© Martin Künsting/AWI & Shutterstock

Torped mäter isens tjocklek

Polarsterns helikopter flyger över isen med den 3,5 meter långa och hundra kilo tunga torpeden EM-bird. Den innehåller två olika sensorer som mäter dels avståndet till isens yta, dels avståndet till vattnet under.

© Martin Künsting/AWI & Shutterstock

Drönare mäter ­havsströmmar

Robotar och sensorer nere i vattnet undersöker hur havsisen bildas och smälter. De mäter även havsströmmarna, som för med sig varmt vatten och näringsämnen.

© Martin Künsting/AWI & Shutterstock

Satelliter ger överblick

Expeditionen gör mätningar på isens yta och jämför dem med ­satellitmätningar. På så sätt blir ­informationen mer exakt, vilket är bra för både klimatmodeller och dagliga väderprognoser.

Ett av expeditionens huvudsyften är att undersöka den arktiska isens mängd och tjocklek. Där fyller den danske havsisexperten Rasmus Tonboe en viktig funktion.

Han ingår i Grupp 2, som seglar norrut ombord på den ryska isbrytaren Kapitan Dranitsyn.

Särskilt de sista meterna innan de når fram till Polarstern är besvärliga, eftersom det är väldigt viktigt att inte påverka vare sig isen, havet eller luften och därmed förstöra några av de mätningar som görs kring forskningsfartyget.

© Folke Mehrtens/Alfred-Wegener-Institut

Dagbok från norra ishavet

Mellan december 2019 och mars 2020 befann sig havsisexperten Rasmus Tonboe från Danmarks Meteorologiske Institut ombord på Polarstern. Han skrev om sina upplevelser i en digital dagbok som skickades hem via satellit.

"Jag har varit ombord på Dranitsyn i drygt två ­veckor. Vi ser Polarstern på håll, men vi rör oss mycket långsamt. Vi måste bryta oss igenom ett område med polaris för att komma in från rätt håll och lägga till. Polarisen är tjock, så det tar tid. Fram och tillbaka – och sedan prova igen". Den 12 december 2019

Beväpnade björnvakter ett krav

Varje gång forskarna går ut på isen för att till exempel läsa av instrumenten måste de ha en björnvakt med sig. Vakten håller ett öga på området medan de övriga arbetar.

I närheten av fartyget är det bara en av forskarna som utrustas med gevär, radio och signalpistol, men på uppdrag längre bort från fartyget måste professionella björnvakter följa med.

© Lukas Piotrowski/AWI

De är ofta tidigare soldat­er som är vana vid att arbeta i kyla och mörker. En av dem är en veteran från danska Station Nord på Prinsesse Ingeborg Halvø på nordöstra Grönland, bara 93 mil från Nordpolen.

Det är dock inte björnarna som utgör den stora utmaningen för Rasmus Tonboe och Grupp 2. De har problem med en alltför närgången fjällräv.

“Räven utlöser raketerna som ska varna för björnar, och den gnager på våra kablar. En dag bröt den till och med förbindelsen till området Met City, där vi gör meteorologiska observationer. Den gnager också av tre kablar till våra satellitinstrument. Vi måste ut och reparera dem och sedan hänger vi upp ­kablarna så att de är utom räckhåll. Det hjälper.” Den 6 januari 2020

Nansen ser i stället djurlivet i Arktis som en resurs, särskilt när han i början av år 1895 – efter ett och ett halvt år i isen – inser att Fram driver för långt österut.

Tillsammans med den erfarne hundföraren Johansen beslutar han sig för att försöka nå Nordpolen med hundsläde.

I början går färden norrut bra, men efter hand sjunker tempot och slutligen tvingas de båda männen vika av söderut. Den nordligaste punkt de når är 86°14’ nord, cirka 42 mil från Nordpolen, som ligger på exakt 90° nordlig bredd.

Polarfararna tog med sig tillräckligt mycket proviant för att nå sitt mål, men de hade inte klarat sig hem med enbart sina förnödenheter. Tillgången på säl, valross, björn och fågel är emellertid så god att när de två männen åter kommer i kontakt med civilisationen så har de inte bara överlevt, utan till och med lagt på sig flera kilo.

Nansen upptäckte djup ocean

Grunden för all utforskning av Arktis, framför allt de så kallade driftexperiment där forskare arbetar från ett isflak eller ett fastfruset fartyg, läggs i och med Fram.

Efter sin triumfatoriska återkomst till Norge år 1896 konstaterar Nansen att hans expedition har bidragit med viktiga kunskaper inte bara om isen, utan även om arktisk geografi och oceanografi.

I och med Frams drift och observationer står det klart att en så kallad transpolär isdrift går från området norr om Berings sund och Sibiriens kust genom hela Arktis, via Nordpolen till Atlanten.

Nansens upptäckt punkterade därmed den tidens förhärskande idé bland geografer, nämligen att isen var en fast kalott utan några större rörelser som troligen var förankrad i en landmassa, kanske rentav en dold kontinent. Geograferna ansåg därför att Nansens driftexperiment var ren och skär galenskap.

Under expeditionen registrerar Fram havsdjupet under isen och uppmäter djup på bland annat 610, 1 800 och 2 700 meter. Slutsats­en är att den centrala arktiska bassängen är ett djuphav utan vare sig land eller ögrupper.

I dag vet vi att jordens nordligaste landmassa är ön Kaffeklubben utanför Grönlands nordkust, cirka 70 mil från Nordpolen.

Fartyg driver mot Nordpolen

Både Fram och Polarstern låter sig frysa fast och driver med den transpolära isdriften i hopp om att passera så nära geografiska nordpolen som möjligt på exakt 90° nordlig bredd. Fram driver drygt 45 mil för långt österut och når i mars 1895 positionen 85°57’N.

Den 24 februari 2020 är det Polarsterns tur att passera jordklotets topp. Tack vare moderna modeller för isens drift lyckas kapten Stefan Schwarze passera Nordpolen på 15,8 mils avstånd.

Trots att inget av fartygen träffar mitt i prick kommer båda två närmare Nordpolen än något annat fastfruset fartyg före dem, vilket ger viktiga fakta om Arktis i det månadslånga vintermörkret och i de iskalla temperaturerna, som i polarvinden faller ända ner till minus 50 grader.

“Medan jag befinner mig vid mätområdet skingras molnen och visar att ljuset är på väg tillbaka. Det blå skenet borta vid horisonten är tillräckligt starkt för att jag inte ska behöva använda min ­pannlampa. Vinden är 14-15 meter per ­sekund och snön flyger som en levande matta över isen, men över knähöjd är sikten rätt bra. Det är bara kring 22 grader kallt. Det känns nästan behagligt.” Den 18 februari 2020

Liksom Nansen vill Rasmus Tonboe lära sig mer om polarområdet. Hans forskning är inriktad på isen och snöns betydelse för satelliternas mätningar av isens tjocklek. Resultaten ska förfina de algoritmer – formler och beräkningstekniker – som översätter data från den svärm av satelliter som dagligen passerar över Arktis.

Rasmus Tonboe och hans forskarkollegor fokuserar på radar- och radiometerinstrument. Ett radarinstrument avger en elektromagnetisk puls och mäter hur lång tid det tar innan ekot kommer tillbaka och hur starkt det är.

Tiden visar avståndet till exempelvis havs­isen och ekots styrka ger information om vad radar­vågorna har träffat.

Ett antal satelliter använder radar- och radiometerteknik som både mäter isens tjocklek och ger data om bland annat vattennivån i havet, vattnets salthalt och temperatur samt atmosfärens fuktighet.

“I vårt mätområde sticker isen upp sju centimeter ur vattnet och är en dryg meter tjock. Ovanpå ligger snö. Vi undersöker varifrån reflexionen av ­exempelvis radarvågorna kommer. Kommer den från snöns yta eller från övergången mellan snö och is? Och vad betyder salthalten, som vi vet ständigt förändras? Det är det ingen som tidigare har ­studerat noga. Dessa små skillnader är dock viktiga för vår förståelse av data från satelliterna och hur vi översätter dem till bland annat isens tjocklek..” Den 6 januari 2020

Exakta översättningar förbättrar prognoser

Optimeringen av satelliternas mätningar gör att data till väder- och klimatmodeller blir mer exakta.

I Skandinavien kommer vädersystemen till exempel huvudsakligen från väst och nordväst, vilket innebär att en stor del av luften har befunnit sig över Arktis. Polarsterns arbete är därför extra viktigt för att ta fram bättre väderprognoser i vår del av världen.

Satellitoptimeringen sker genom att forskarna sätter upp instrument på isen motsvarande dem som används på satelliterna, som befinner sig 700 till 800 kilometer upp i rymden.

På så sätt vet Rasmus Tonboe och hans kollegor exakt vad instrumentet mäter.

Forskarna placerar ut höjdmätare på isen. De ska hjälpa satelliter på mellan 700 och 800 kilometers höjd att skilja snö från is och mäta isens tjocklek.

© EADS Astrium

Mikrovågor mäter isen

Den europeiska satelliten CryoSat-2 är utrustad med en radarbaserad höjdmätare. Varje sekund avger den tusentals mikrovågspulser som reflekteras av både havet och isen. Vågorna reflekteras förskjutna till satelliten och visar därmed hur tjock isen är.

© Stefan Hendricks/AWI

Salt stör mätningar

Forskarna har upptäckt att ­signalerna emellanåt bromsas ­redan av snölagret på isen ifall snön innehåller salt. Därför har de tagit med sig ett instrument motsvarande höjdmätaren på CryoSat-2 för att kartlägga exakt hur ­mikrovågorna reflekteras.

© ESA

Data ger bättre prognoser

Satelliterna kalibreras och kan nu ge ännu fler detaljer om ismängderna i Arktis. Isens tjocklek visar effekterna av den globala uppvärmningen, men data ingår även i klimatmodeller och är avgörande för kvaliteten av väder­prognoserna i bland annat Skandinavien.

Samtidigt analyserar forskargruppen isen och snön för att undersöka hur den förändras – hur snöflingor slits och rundas av, fryser samman och förångas, hur salt tränger ut ur isen, hur den smälter och fryser.

Och hur isen reagerar på de våldsamma förändringarna i luftens temperatur, som på bara några timmar kan stiga eller falla 25 grader – samtliga är faktorer som kan påverka satellitmätningarna.

Polarstern har även med sig ett instrument vars data liknar dem från instrumentet ESMR, som på 1970-talet bland annat sändes ut i rymden med den amerikanska satelliten Nimbus 5.

Det använder Rasmus Tonboe för att förlänga serien av satellitmätningar av havsisens utbredning. Därmed får forskarna ännu mer data om hur isen har förändrats under de senaste 50 åren.

Isen smälter i rekordfart

Havsis är en av planetens känsligaste klimattermometrar och ett dystert tecken på hur mycket temperatur­en på planeten faktiskt stiger.

Tillsammans med sina kollegor har Rasmus Tonboe tittat på en serie mätningar av isen mellan 1978 och 2015 och kommit fram till att den arktiska havsisens areal under denna period har minskat med 94 000 kvadratkilometer om året.

Mängden is är därför den stora skillnaden mellan det Arktis som Nansen upplevde och det som forskarna ombord på Polarstern nu verkar i.

“Strax efter midnatt fick vi besök av en björn i ­mätområdet. Den tittade på instrumenten och ­fångades av övervakningskameran medan den ­förstörde en mikrovågsradiometer. Flera av de ­övriga instrumenten har dessutom problem med kölden. Det är svårt att hitta reservdelar här. ­Fartygselektrikern är dock mycket hjälpsam med kondensatorer och andra komponenter.” Den 21 januari 2020

Nyfikna isbjörnar är en evig källa till frustration för forskarna. En välplacerad tass kan snabbt förstöra utrustning för tusentals kronor.

© AWI

I slutet av 1800-talet, då Nansens Framexpedition drev iväg, hade den mänskligt orsakade globala uppvärmningen precis inletts. Förståelsen av växthuseffekten var ännu tämligen basal, trots att den erkändes
redan år 1824 av den franske vetenskapsmannen Jean-Baptiste Joseph Fourier. Han insåg att atmosfären håller kvar energin från solen så att den inte lämnar jorden med det samma.

Sedan dess har koncentrationen av koldioxid i atmo­sfären ökat med cirka 45 procent. Beräkningar visar att Nansens Arktis hade två miljoner kvadratkilometer mer havsis än det Arktis som Polarstern driver runt i.

Den rekordsnabba klimatförändringen drabbar emellertid inte enbart nordliga regioner. Planetens motsatta ände plågas av en motsvarande accelererad temperaturökning.

Data från de tre senaste årtiondena visar en rekord­snabb uppvärmning av Antarktis, 0,61 grader per år-tionde, vilket är över tre gånger snabbare än det globala genomsnittet.

Till skillnad från Arktis bedömer dock forskargruppen bakom en ny studie att den antarktiska uppvärmningen huvudsakligen har naturliga orsaker, nämligen att alltmer varm och fuktig luft från Sydatlanten förs in över kontinenten, med ett mindre bidrag från den mänskligt orsakade globala uppvärmningen.

Flytande forskningsstationer är framtiden

Eftersom isen hela tiden försvagas och blir instabil och dynamisk blir arbetet i Arktis allt farligare. Det visar sig bland annat genom att Polarstern driver snabbare över Arktis än vad forskarna hade räknat med. Det tydligaste beviset på de stora förändringarna kommer dock från de ryska Arktisexperimenten Severnij Poljus, där forskargrupper sattes av på ett isflak och fick klara sig själva i flera månader.

Den första ryska forskningsstationen, Nordpol-1, upprättades i maj 1937 nära Nordpolen och drev på isen i nio månader. Nordpol-2 upprättades först år 1950, men därefter fanns det i stort sett konstant en sovjetisk forskningsstation någonstans på isen i Arktis.

Efter Nordpol-31, från 1988 till 1991, följde ett tolv år långt uppehåll på grund av Sovjetunionens kollaps. När Ryssland försökte återstarta programmet år 2003 hade förhållandena förändrats i grunden.

Tidigare kunde forskningsstationerna ligga på samma isflak i ända upp till åtta år, men nu var isen för svag och flaken flöt tvärs över polbassängen och ut genom Framsundet vid Grönland på bara ett år eller mindre.

Den hittills sista forskningsstationen, år 2015, opererade bara i fyra månader.

“Jag vill använda mätningarna för att visa vad den globala uppvärmningen gör med havsisen. Den ­ingår i en rad självförstärkande processer som ­riskerar att påskynda den globala uppvärmningen. Vad annat tar havsisen med sig när den försvinner? Det är svårt att förutse vad som kommer att ske, men när vi förstår dessa processer har vi en bättre chans att ge en prognos för framtidens klimat” Den 21 januari 2020

Frams och Polarsterns metod – att placera ett helt fartyg i Arktis, i stället för bara en forskargrupp på ett isflak – är därför polarforskningens framtid.

Isen lär inte bli stabil förrän den globala uppvärmningen är nollställd, vilket kan ta tusentals år. Det har ryssarna insett. År 2018 började de därför bygga en ny flytande forskningsplattform.

Fartyget är gjort för att driva med isen snarare än att segla genom den och har därför övertagit namnet Severnij Poljus från de sovjetiska och ryska driftstationerna.

På det 84 meter långa och 22,5 meter breda fartyget får det plats 34 forskare, och som något helt nytt ska det kunna operera i upp till två år utan kontakt med omvärlden.

Med Severnij Poljuskan utforskningen av Arktis fortsätta även om isen i framtiden försvinner helt i perioder, vilket enligt klimatmodellerna kan bli fallet redan år 2050.