Höchste jemals gemessene Eisalgenbiomasse in altem arktischem Meereis

31. Mai 2017

Bis heute ist unklar, wie sich die schnell verändernde Meereisbedeckung in der Arktis auf die Eisalgen, als Basis des arktischen Nahrungsnetzes auswirken wird. Eisalgen leben im und direkt unter dem Eis und sorgen dort durch Fotosynthese für den Aufbau von Biomasse. Sie sind extrem gut angepasst an diese harten Lebens- und die sehr geringen Lichtbedingungen. Eisalgen sind eine sehr wichtige Nahrungsquelle (direkt und indirekt) aller Organismen der arktischen Nahrungskette. Daher ist das Verständnis wie sich diese wichtige Nahrungsquelle mit dem sich ändernden Meereis wandelt ein wesentlicher Schritt, um die möglichen ökologischen Folgen des Klimawandels in der Arktis besser vorhersagen zu können.

Unser Verständnis der arktischen physikalisch-ökologischen Prozesse ist besonders gering innerhalb der so genannten „Last Ice Area“, einer bisher wenig untersuchten Region, welche die letzten Bestände von sehr altem, dickem und mehrjährigem Meereises in der Arktis beherbergt (siehe Abbildung 1a). Diese Region ist sehr schwer zugänglich, was es extrem schwierig macht das Meereis dort für eine Probennahme von Eiskernen zu erreichen und Messungen von wichtigen physikalischen und ökologischen Zusammenhängen durchzuführen. „Aus den von uns gewonnen Ergebnissen konnten wir ableiten, dass der Verlust der „Last Ice Area“ umfassende Auswirkungen auf das Ökosystem haben wird, die bisherige Prognosen weit übertreffen werden“, so Benjamin Lange vom AWI.

Vor kurzem hat diese Region beträchtliches öffentliches Interesse erregen können und wurde als potentielles arktisches Weltkulturerbe durch einen Bericht von der Internationalen Union für die Bewahrung der Natur und natürlicher Ressourcen (IUCN), der Organisation der Vereinten Nationen für Erziehung, Wissenschaft und Kultur (UNESCO) und des Natural Resources Defense Council (NRDC) vorgeschlagen. Auch die internationale Naturschutzorganisation WWF (World Wildlife Fund) hat die "Last Ice Area" als eine Region beschrieben, die intensive wissenschaftliche Forschung benötigt. Diese Forderungen jedoch sind nicht auf ökologisch-wissenschaftlicher Motivation begründet, da bis heute nur sehr wenige ökologisch relevanten Studien in dieser Region durchgeführt wurden [Hatam et al., 2014; Hatam et al., 2016; Lange et al., 2015]. Eine Modellstudie [Hamilton et al., 2014] zeigte, dass der Lebensraum für Eisbären wohl zukünftig am längsten in dieser „Last Ice Area“ erhalten bleiben wird, was die Bedeutung dieser Region für das Überleben der arktischen marinen Lebewesen und für das Aufrechterhalten dieser arktischen Nahrungskette unterstreicht.

Eine neue Untersuchung geleitet von Dr. Benjamin Lange (AWI) und Professor Christian Haas (AWI), die gerade in Global Change Biology veröffentlicht wurde, zeigt, dass wenn das restliche alte mehrjährige Eis (multi-year-ice, MYI) dieser „Last Ice Area“ verloren geht, dies weitreichende ökologische Konsequenzen haben wird, die die bisherigen Projektionen weit übertreffen werden. In dieser Studie wurden Meereisproben über einen Zeitraum von vier aufeinanderfolgenden Frühjahren (2010 bis 2013) der „Last Ice Area“ gesammelt.

Um einen Schwellenwert für einen geeigneten Meereisalgen-Lebensraum zu identifizieren, wurde die Hockeyschläger-Regression (auch als stückweise lineare Regression bekannt) verwendet (Abb. 2). Diese Methode identifiziert einen Änderungspunkt (d.h. Schwellwert) eines Umweltparameters, in unserem Fall berechnete Transmission, der Bereiche von hohem Chlorophyll-a Biomassegehalt (nachfolgend als geeigneter Lebensraum bezeichnet) von Regionen mit niedrigem Chlorophyll-a Biomassegehalt (nachfolgend als nicht-geeigneter Lebensraum bezeichnet) unterscheidet. Dieser Schwellenwert wurde auf die bodenbasierten Schnee- und Eisdicken-Erhebungen angewendet, um die Hockeyschläger-Habitat-Klassifizierungskriterien für verschiedene Schnee- und Eisklassen zu entwickeln, die dann auf die AWI CryoSat-2 Schnee- und Meereis-Datenprodukte angewendet wurden. Das Blockmodell wendet einfach den Schwellenwert auf die einzelnen Schnee- und Eiswerte für jede Rasterzelle der CryoSat-2 Datenprodukte an.

Die Meereisproben zeigten eine der höchsten jemals gemessenen Eisalgenbiomassen im alten arktischen Meereis. Dies konnte auf die typischerweise geringen Schneebedeckungen auf sogenannten "Hummocks"  zurückgeführt werden. "Hummocks" sind schneefreie Eishügel, die durch verwitterte Presseisrücken oder Schmelztümpelprozesse entstehen (siehe Abbildung 1a und 1b).

Trotz einer Eisdicke von über 4 m ermöglichen "Hummocks" kontinuierlich günstige Lichtbedingungen, die wichtig für das Algenwachstum sind. Diese „Hummocks“ wurden als dauerhafte Ausformungen mehrjährigen Eises (MYI) erkannt, mit einem durchschnittlichen Anteil von 33 % in der „Last Ice Area“. „Außerdem haben wir bestimmt, dass der für Eisalgen geeignete Lebensraum in dieser Region bisher um einen Faktor 30 drastisch unterschätzt wurde, wenn man die räumliche Variabilität der „Hummocks“ berücksichtigt. Dies ist wahrscheinlich eine konservative Abschätzung, da das Potential horizontaler Lichtstreuung um diese „Hummocks“ nicht berücksichtigt wurde, die die Fläche geeigneten Lebensraums für Eisalgen weiter vergrößern würde.“, so Benjamin Lange.

Benjamin Lange erklärt uns in einem Gespräch, wie er auf die Idee seines Projektes kam: ”Wir fuhren an einem wolkenverhangenen Tag mit geringer Sichtweite mit dem Schneemobil zu einem benachbarten Messfeld, das an der Küste bei Alert, einer kanadischen Militärbasis, an der nördlichen Spitze von Kanada liegt. Normalerweise ist die Arbeit bei schlechten Wetterbedingungen nicht möglich und die Forschungsflugzeuge bleiben am Boden. Aufgrund der ebenen Eisoberflächenbedingungen war es jedoch möglich Unterschiede zwischen den blanken Eishügeln und der Schneeoberfläche zu erkennen. Die "Hummocks" wirkten in einem blau-braunen Farbton dunkler, während der Schnee weiß war. Bei klaren Sichtbedingungen und guten Wetterverhältnissen sind "Hummocks" und Schnee im Allgemeinen farblich für das bloße Auge nicht unterscheidbar und erscheinen beide strahlend weiß. So kam ich auf die Idee, dass wenn die "Hummocks" dunkler sind als der sie umgebende Schnee, dies bedeuten könnte, dass dort mehr Licht eindringen kann und dies vielleicht zu mehr Licht für das Wachstum der Algen führt. Natürlich sind die Zusammenhänge nicht so einfach, wie gerade beschrieben, aber die Idee war geboren und wir begannen mit der intensiven Beprobung dieser dicken alten "Hummocks".“ Ergänzend und lachend fügt Benjamin Lange hinzu, „Ich kann nun sagen, während ich mein Schneemobil fuhr dachte ich über meine Eishügelhypothese nach“. 

Neben diesen wichtigen und aufregenden Ergebnissen konnte mit dieser Studie ein einzigartiger Ansatz gezeigt werden, wie man ökologisch relevante Fragestellungen angehen kann, wenn man die aus Meereiskernen gewonnen Informationen mit physikalischen Beobachtungen der Schnee- und Eisdicke kombiniert. Dazu zählen neben Messungen am Boden und Satellitenbeobachtungen zur Meereisdicke von CryoSat-2 auch Schneeklimatologien. Dies ist ein wichtiger Schritt im weiteren Verständnis des arktischen Ökosystems, weil flugzeug- und satellitengestütze Messungen nicht in der Lage sind, unter dem Eis Messungen durchzuführen, wo aber ein erheblicher Anteil der Wechselwirkungen in der arktischen Nahrungskette stattfindet. Die Entwicklung von physikalisch-ökologischen Zusammenhängen als Input für Modelle ist eine wichtige zukünftige Aufgabe der Forschung, um Aussagen über die weitere Entwicklung des arktischen Ökosystems ableiten zu können. 

Diese Arbeit stellt dabei nur einen kleinen Schritt in der Erarbeitung unseres Verständnisses des arktischen Ökosystems dar. Zukünftige Pläne sind die Zurverfügungstellung höher aufgelöster Schnee- und Eisdickeprodukte unter Nutzung von satelliten- und flugzeuggetragenen Messtechnologien wodurch die räumliche und zeitliche Auflösung der Modellierung von physikalisch-ökologischen Prozessen verbessert werden kann. „Um auf diesen Ergebnissen aufzubauen, planen wir in einer interdisziplinären Arbeitsgruppe gemeinsam mit kanadischen Kollegen eine einmonatige Feldmesskampagne, um ausgedehntes Probenmaterial von altem dickem Eis, wie auch von jüngeren Eistypen innerhalb der „Last Ice Area“ zu gewinnen", berichtet Professor Christian Haas, Leiter der Sektion Meereisphysik am AWI. Bei dieser Kampagne werden Meereiskerne, biologische Experimente und Unterwasser ROV-Aktivitäten mit Messungen am Boden, dem Flugzeug und Satelliten zur Erfassung von Schnee- und Eisdaten kombiniert werden.

Die Studie kann im Original hier abgerufen werden.

https://doi.org/10.1111/gcb.13742
Lange, B. A., H. Flores, C. Michel, J. F. Beckers, A. Bublitz, J. A. Casey, G. Castellani, I. Hatam, A. Reppchen, S. A. Rudolph, and C. Haas. (2017). Pan-Arctic sea ice-algal chl a biomass and suitable habitat are largely underestimated for multi-year ice. Global Change Biology, doi:10.1111/gcb.13742

Ansprechpartner:

Dr. Benjamin Lange (Alfred-Wegener-Institut)
Prof. Dr. Christian Haas (Alfred-Wegener-Institut)

Quellen:

Hamilton, S. G., L. Castro de la Guardia, A. E. Derocher, V. Sahanatien, B. Tremblay, and D. Huard (2014), Projected polar bear sea ice habitat in the Canadian Arctic Archipelago, PLoS One, 9(11), e113746, doi:10.1371/journal.pone.0113746.
Hatam, I., R. Charchuk, B. Lange, J. Beckers, C. Haas, and B. Lanoil (2014), Distinct bacterial assemblages reside at different depths in Arctic multiyear sea ice, FEMS Microbiol. Ecol., 1-11, doi:10.1111/1574-6941.12377.
Hatam, I., B. Lange, J. Beckers, C. Haas, and B. Lanoil (2016), Bacterial communities from Arctic seasonal sea ice are more compositionally variable than those from multi-year sea ice, The ISME journal, (10), 2543–2552, doi:10.1038/ismej.2016.4.
Lange, B. A., C. Michel, J. F. Beckers, J. A. Casey, H. Flores, I. Hatam, G. Meisterhans, A. Niemi, and C. Haas (2015), Comparing springtime ice-algal chlorophyll a and physical properties of multi-year and first-year sea ice from the Lincoln Sea, PLoS One, 10(4), e0122418, doi:10.1371/journal.pone.0122418.

 

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