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Plankton wird im arktischen Ozean nicht vermehrt wachsen, weil ihm nicht genügend Stickstoff zur Verfügung steht
Der Arktische Ozean erwärmt sich und das Meereis schrumpft. Damit vergrößert sich die Wasseroberfläche des Arktischen Ozeans, auf die Sonnenlicht trifft. Wird dadurch das Planktonwachstum boomen, das wiederum Fische und andere Tiere ernähren könnte, und so ein blühendes Ökosystem entstehen? Eher nicht, wie Erkenntnisse eines Forschungsteams unter Leitung der Princeton University und des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz zeigen.
Kaum eine Region der Erde verändert sich mit dem Klimawandel tiefgreifender, als die Arktis. Die Temperatur steigt hier doppelt so schnell wie im globalen Durchschnitt und das arktische Meereis, zieht sich im Sommer immer weiter zurück. Heute bereits ist im Sommer nur noch eine halb so große Fläche des arktischen Meeres mit Eis bedeckt wie im Jahr 1979. Und wie der jüngste Bericht des Weltklimarates noch einmal bekräftigt, könnte die Arktis am Ende des Sommers künftig immer häufiger komplett eisfrei sein. Für viele Lebewesen, allen voran den Eisbären, könnte das existenzbedrohlich werden. Andere Arten könnten jedoch davon profitieren, so vermuteten manche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. „Wenn man den Arktischen Ozean aus dem Weltraum betrachtet, ist es schwierig, überhaupt Wasser zu sehen, da ein großer Teil von einer Meereisschicht bedeckt ist", sagt Hauptautor Jesse Farmer, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Geowissenschaften an der Princeton University, der auch als Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz tätig ist. Künftig könnte das schwindende Eis den Blick auf die Meeresoberfläche immer mehr freigeben. Und der stärkere Lichteinfall auf das Meer könnte das Wachstum von Plankton, das mit Licht Fotosynthese betreibt, ankurbeln und damit auch anderen Arten mehr Nahrung verschaffen, so eine Vermutung.
Fossiles Plankton enthüllt die Stickstoffversorgung der Vergangenheit
„Aber die Sache hat einen Haken", sagt Mitautorin Julie Granger, Professorin für Meereswissenschaften an der University of Connecticut. „Das Plankton braucht auch Nährstoffe, um zu wachsen, und die sind nur tiefer im Arktischen Ozean reichlich vorhanden, gerade außerhalb der Reichweite des Planktons." Ob das Plankton diese Nährstoffe aufnehmen kann, hängt davon ab, wie stark der obere Ozean stratifiziert ist, also in Schichten getrennt ist. Die oberen 200 Meter des Ozeans bestehen aus verschiedenen Wasserschichten mit unterschiedlichen Dichten, die durch ihre Temperatur und ihren Salzgehalt bestimmt werden. „Wenn der obere Ozean stark geschichtet ist, also sehr leichtes Wasser auf dichtem Tiefenwasser schwimmt, ist die Versorgung der sonnenbeschienenen Oberfläche mit Nährstoffen langsam", so Jesse Farmer.
Das Team hat anhand von fossilem Plankton untersucht, wie sich die Stickstoffzufuhr in der Arktis seit der letzten Eiszeit verändert hat. Das wiederum offenbart die Geschichte der Schichtung des Arktischen Ozeans. Anhand von Sedimentkernen aus dem westlichen und zentralen Arktischen Ozean bestimmten die Forschenden die Isotopenzusammensetzung von organischem Stickstoff, der in den Kalkschalenfossilien von Foraminiferen eingeschlossen war. Dieses Plankton wuchs im Oberflächenwasser, starb dann ab und sank auf den Meeresboden. Die Messungen zeigen, wie sich im Laufe der Zeit die Anteile des aus dem Atlantik und dem Pazifik stammenden Stickstoffs, der jeweils ein andere Isotopenmuster aufweist, und die Versorgung des Oberflächen-Planktons mit Stickstoff veränderten.
Pazifisches Wasser überlagert salzigeres, dichteres atlantisches Wasser
Das Wasser des Pazifiks fließt in der westlichen Arktis nordwärts durch die flache Beringstraße, die Alaska von Sibirien trennt. Im Arktischen Ozean angekommen, strömt das relativ frische Pazifikwasser über das salzigere Wasser des Atlantiks. Infolgedessen wird die obere Wasserschicht der westlichen Arktis von Stickstoff aus dem Pazifik dominiert und ist stark geschichtet.
Das war jedoch nicht immer so. „Während der letzten Eiszeit, als das Wachstum der Eisschilde den globalen Meeresspiegel herabsenkte, gab es die Beringstraße nicht", sagt Daniel Sigman, Princetons Dusenbury Professor für Geologische und Geophysikalische Wissenschaften und einer von Jesse Farmers Forschungsmentoren. Zu dieser Zeit wurde die Beringstraße durch die Beringlandbrücke ersetzt, eine Landverbindung zwischen Asien und Nordamerika, die die Einwanderung von Menschen nach Amerika ermöglichte. Ohne die Beringstraße gäbe es in der Arktis nur atlantisches Wasser. Die Stickstoffdaten bestätigen dies.
Mit der Öffnung der Beringstraße sinkt die Stickstoffversorgung
Zum Ende der Eiszeit vor 11.500 Jahren, als die Eisschilde schmolzen und der Meeresspiegel anstieg, zeigen die Daten das plötzliche Auftauchen von pazifischem Stickstoff im offenen westlichen arktischen Becken, ein klarer Beweis für die Öffnung der Beringstraße. „Wir hatten zwar erwartet, dieses Signal in den Daten zu sehen, aber nicht so deutlich!" so Sigman.
Dies war nur die erste Überraschung für die Geo-Wissenschaftler. Bei der Analyse der Daten stellte Farmer auch fest, dass die Arktis vor der Öffnung der Beringstraße nicht so stark geschichtet war wie heute. Erst mit der Öffnung der Beringstraße entstand die starke Schichtung der westlichen Arktis, was sich in der abnehmenden Stickstoffversorgung des Planktons im Oberflächenwasser widerspiegelt.
Warme Temperaturen verstärken die Schichtung des Meeres
Nach Osten hin, weg von der Beringstraße, wird das Wasser aus dem Pazifik verdünnt, so dass die neuzeitliche zentrale und östliche Arktis von atlantischem Wasser und relativ schwacher Schichtung dominiert wird. Hier fanden die Forschenden heraus, dass Stickstofflimitierung und Dichteschichtung mit dem Klima variierten. Wie in der westlichen Arktis war die Schichtung während der letzten Eiszeit schwach. Nach der Eiszeit verstärkte sich die Stratifikation in der zentralen Arktis und erreichte ihren Höhepunkt vor etwa 10.000 bis 6.000 Jahren, einer Periode mit etwas höheren arktischen Sommertemperaturen, die als Holozänes Thermisches Maximum bezeichnet wird. Seit dieser Zeit hat sich die Schichtung in der zentralen Arktis abgeschwächt, so dass genügend Stickstoff aus der Tiefe in das Oberflächenwasser gelangt, um den Bedarf des Planktons zu decken.
Die globale Erwärmung bringt die Arktis schnell wieder in das Klima des thermischen Maximums des Holozäns zurück und möglicherweise sogar darüber hinaus. Aus der neuen Studie lässt sich daher schließen, dass die westliche Arktis künftig aufgrund des anhaltenden Zuflusses von pazifischem Wasser durch die Beringstraße stark geschichtet bleiben wird, während die Erwärmung die Schichtung in der zentralen Arktis verstärken wird. In diesen beiden Regionen des offenen Ozeans wird die geringe Stickstoffzufuhr wahrscheinlich die Planktonproduktivität begrenzen.
„Manche hätten im Anstieg des Planktonwachstums im offenen arktischen Becken wahrscheinlich einen Vorteil gesehen, zum Beispiel um die Fischerei zu steigern. Angesichts unserer Daten scheint ein Anstieg der Produktivität in der offenen Arktis aber unwahrscheinlich. Die beste Hoffnung für einen zukünftigen Anstieg der arktischen Produktivität liegt wahrscheinlich in den Küstengewässern der Arktis“, so die Einschätzung von Farmer.
Dr. Jesse Farmer
Princeton University Geosciences
E-Mail: jesse.farmer@princeton.edu
Prof. (ETHZ) Dr. Gerald Haug
Abteilung Klimageochemie
Max-Planck-Institut für Chemie Mainz
E-Mail: gerald.haug@mpic.de
Tel.: 06131 305 6002
Dr. Alfredo Martinez-Garcia
Abteilung Klimageochemie
Max-Planck-Institut für Chemie
E-Mail: a.martinez-garcia@mpic.de
Telefon: 06131 305 6717
„Arctic Ocean stratification set by sea level and freshwater inputs since the last ice age", von Jesse R. Farmer, Daniel M. Sigman, Julie Granger, Ona M. Underwood, François Fripiat, Thomas M. Cronin, Alfredo Martínez-García und Gerald H. Haug, erscheint in der aktuellen Ausgabe von Nature Geoscience (DOI: 10.1038/s41561-021-00789-y)
https://www.mpic.de/4991215/princeton-arktis?c=3477744
Criteria of this press release:
Journalists
Geosciences
transregional, national
Research results
German
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