Die Analyse der ersten Jahresdaten ergab jetzt überraschende Einblicke in die Rolle des Meereises für das Leben in polaren Meeresgebieten. Je nachdem, wo und wie schnell das Meereis schmilzt, verändern sich die Artenzusammensetzung und das Wachstum des Planktons in der Wassersäule und somit auch das Nahrungsangebot in der Tiefsee.
Die Eisbedingungen in der zentralen Framstraße hätten gegensätzlicher kaum sein können. Während im Sommer 2017 extrem viel arktisches Meereis von Wind und Strömungen getrieben durch die Framstraße Richtung Nordatlantik wanderte, war es im darauffolgenden Jahr überdurchschnittlich wenig Eis. Ein Glücksfall für die Meeresforschung, denn genau in der Mitte der Meereis-Autobahn – auf 79 Grad nördliche Breite und 4 Grad 20 Minuten östliche Länge – hatten Forschende des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) im Sommer 2016 ein technisch runderneuertes Meeresobservatorium mit vielen verschiedenen Messgeräten in der Wassersäule installiert. Mit ihm sollte es erstmals gelingen, im Randbereich des Arktischen Ozeans zu beobachten, wie sich die Lebensbedingungen für Meeresalgen und -tiere entwickeln, wenn das Meereis allmählich schwindet.
„Die Arktis gehört zu den Hotspots des Klimawandels. Wir beobachten seit Jahrzehnten einen dramatischen Rückgang der Meereisfläche und des Eisvolumens; gleichzeitig steigen die Luft- und Wassertemperaturen. Tatsächlich aber wussten wir bisher nicht genau, wie sich diese Veränderungen auf die Meereschemie, die Lichtverhältnisse, den Nährstoffgehalt, die Wassermassenschichtung und somit auf die grundlegenden Lebensbedingungen für Algen und Zooplankton im Frühling, Sommer, Herbst und Winter auswirken und welche Rolle das Meereis beim Planktonwachstum im Meer eigentlich spielt“, sagt AWI-Ozeanograph Wilken-Jon von Appen, der die physikalischen Messungen im neuen Observatorium leitet.
Die Gründe für diese Wissenslücken sind vielfältig: „Zum einen führten unsere Schiffsexpeditionen bislang immer nur im Sommer in die Framstraße – also zu einem Zeitpunkt, an dem die Frühjahrsblüte der Algen oft schon vorüber war und unsere Messdaten kaum Rückschlüsse auf die Winter- und Frühlingsverhältnisse in der Wassersäule zuließen. Zum anderen gab es bis zum Start unseres neuen FRAM-Observatoriums auch nicht jene arktis-taugliche Messtechnik, die wir gebraucht hätten, um alle wichtigen Prozesse über alle Wassertiefen hinweg in hoher zeitlicher Auflösung zu dokumentieren“, erklärt der Wissenschaftler.
Zeitenwende: Neues FRAM-Observatorium erlaubt Rund-um-die-Uhr-Messungen
Die Installation des FRAM-Observatoriums im Sommer 2016 stellte somit eine Zeitenwende für die AWI-Meeresbiologen und -Ozeanographen dar, denn seitdem zeichnen Temperatur, Salz-, Licht-, Strömungs- und Nährstoffsensoren alle wichtigen Parameter auf, die benötigt werden, um das Geschehen im Meer zu verstehen – und das rund um die Uhr: 24 Stunden pro Tag, an 365 Tagen im Jahr; über mehrere Wasserschichten hinweg; von knapp unterhalb der Meeresoberfläche bis zum Meeresboden in rund 2500 Metern Tiefe.
Für diese engmaschige Beobachtung sind die verschiedenen Messgeräte an drei kilometerlangen Kunststoffseilen angebracht. Diese sind in einem Abstand von 2500 Metern im Dreieck angeordnet und stehen senkrecht im Wasser. An ihrem oberen Ende sind mit Luft gefüllte Auftriebskörper befestigt. Sie halten die Messketten aufrecht im Wasser. Am unteren Ende hängen derweil vier Eisenbahnräder, zusammen etwa 1000 Kilogramm schwer. Sie dienen als Anker und verhindern, dass die Forschungsgeräte von der Meeresströmung davongerissen werden. Diese Vorkehrung erklärt auch, warum die Messketten von den Wissenschaftlern als Verankerungsketten bezeichnet werden.
Im Gegensatz zu früheren AWI-Langzeitbeobachtungen in der Framstraße, reichten die Verankerungsketten des neuen FRAM-Observatoriums auch bis außergewöhnlich dicht an die Meeresoberfläche heran. Eines der wichtigsten Forschungsgeräte, ein automatischer Wasserprobennehmer mit Sensoren für Licht, Sauerstoff, Nährstoffe, pH-Wert, Kohlendioxid und Chlorophyll hing in gerade einmal 30 Metern Wassertiefe. „Algen brauchen wie alle Pflanzen Licht und Nährstoffe, um zu wachsen, weshalb uns natürlich bewusst war, dass sich die wichtigsten Prozesse, nämlich die Algenblüten, im oberen Teil der Wassersäule abspielen würden. Dennoch können wir unsere Geräteketten nicht bis ganz an die Meeresoberfläche reichen lassen, weil die Gefahr viel zu groß ist, dass sie sich an einem der langen Meereis-Kiele verfangen und abreißen. In 30 Metern Wassertiefe mit den Messungen zu beginnen, war so gesehen die bestmögliche Kompromisslösung“, erläutert Wilken-Jon von Appen die Geräteanordnung.
Das Eis bestimmt die Schichtung des Oberflächenwassers
Diese Risiko-Kalkulation ging auf. Die FRAM-Verankerungsketten dokumentierten zwei Jahre lang kontinuierlich den physikalischen, biologischen und chemischen Fingerabdruck des Meeres, der für die beiden Meereis-Extremjahre überraschend unterschiedlich ausfiel. Im eisreichen Jahr 2017 reichte die Meereisdecke in der Framstraße so weit in den Süden, dass im Frühling und Sommer auch über dem FRAM-Observatorium noch Schollen trieben.
Weil das Eis auf seinem Weg Richtung Süden jedoch in wärmere Gebiete vorstößt, schmilzt es allmählich und entlässt Abermillionen Liter Schmelzwasser in die Framstraße. Dieses Schmelzwasser enthält so gut wie kein Meersalz. Es ist deshalb leichter als das salzige Meerwasser und vermischt sich nur mit dem Wasser an der unmittelbaren Meeresoberfläche. Infolgedessen bildet sich dort eine wenige Meter dünne aber äußerst stabile Schmelzwasser-Oberflächenschicht mit deutlich geringerem Salzgehalt als in der Wasserschicht darunter. Beide Schichten vermischen sich kaum, weshalb Ozeanographen von einer starken Stratifikation oder Wassermassenschichtung sprechen.
Im eisarmen Jahr 2018 dagegen fiel der Schmelzwassereintrag gering aus. „Die Eisdecke endete bereits 50 Kilometer nördlich des FRAM-Observatoriums, sodass unser Untersuchungsgebiet eisfrei war und sich direkt über den Verankerungsketten keine stabile Schmelzwasserschicht bilden konnte. Stattdessen dokumentierten unsere Messgeräte eine durchmischte Oberflächenwasserschicht, die bis in eine Tiefe von 50 Metern reichte“, erzählt Wilken-Jon von Appen.
Die Fragen, wie tief das Oberflächenwasser reicht und ob es gut durchmischt ist, sind überlebenswichtig für das Leben im Meer. Gut durchmischt bedeutet nämlich, dass ausreichend Nährstoffe wie Nitrat und Phosphat vorhanden sind und Meeresalgen somit beste Wachstumsbedingungen vorfinden. Hinzukommt: Je dicker die Oberflächenschicht ist, desto mehr dieser Nährstoffe stehen den Algen für große Blüten zur Verfügung. „Bildet sich dagegen eine dünne, stabile Schmelzwasserschicht an der Meeresoberfläche, ist deren Nährstoffgehalt stark begrenzt. Einmal aufgebraucht, können die Nährstoffe den Sommer über nicht wiederaufgefüllt werden. Die starke Wassermassenschichtung verhindert, dass sich nährstoffreiches Tiefenwasser von unten in das Oberflächenwasser einmischt“, erläutert AWI-Meeresbiologin und Planktonexpertin Dr. Eva-Maria Nöthig.
Im Sommer des Jahres 2018 dagegen war das Tiefsee-Büfett frühzeitig mit nahrhaften Partikeln gefüllt. In der eisfreien, gut durchmischten und bis in 50 Meter Tiefe reichenden Oberflächenschicht blühten bereits früh im Jahr verschiedene Kieselalgen-Arten. Ihr explosionsartiges Wachstum lockte innerhalb weniger Tage algenfressendes Zooplankton und Fische in die obere Wassersäule. Beide Gruppen vertilgten einen beachtlichen Teil der Algenblüte und produzierten infolgedessen Kotpartikel, die deutlich schwerer waren als das Wasser und auf direktem Wege in die Tiefe sanken – ohne vorher nochmals im Oberflächenwasser wiederverwertet zu werden. Dieser Unterschied zum Partikeltransport im Vorjahr ist ganz entscheidend, denn jenes Material, welches im Frühsommer 2018 in der Tiefsee ankam, war weniger als sechs Wochen alt und enthielt noch so viel nahrhaftes Chlorophyll, dass es sich als hellgrüner Schleier auf den Meeresboden legte und den dort lebenden Organismen ein Festmahl bot.
Dass sich die Tiefseewesen mit großem Elan auf diesen Futterberg stürzten, können die AWI-Wissenschaftler ebenfalls belegen. Sauerstoffmessungen ihres neuen Tiefsee-Roboters belegen, dass die Aktivitätsrate am Meeresboden deutlich anstieg, nachdem der nährstoffreiche Meeresschnee herabgerieselt war. Die Organismen müssen demzufolge kräftig zugelangt haben.
Schmelzwasserzonen: Heute in der Framstraße, morgen in der zentralen Arktis?
Futtermangel in einem Jahr, Nahrung fast schon im Überfluss im nächsten – da stellt sich die Frage: Was bedeuten diese so gegensätzlichen Beobachtungen am FRAM-Observatorium für das Meeresleben in der Randzone des Arktischen Ozeans?
„Unsere Beobachtungen lassen darauf schließen, dass sich in Meeresregionen, wo Meereis schnell schmilzt, häufiger eine stabile Schmelzwasserschicht an der Meeresoberfläche bildet, in der dann eine ganz andere biologische Entwicklung abläuft als wir es bisher aus der arktischen Eisrandzone gewohnt sind – und diese Entwicklung beeinflusst unmittelbar das Nahrungsangebot bis in die Tiefsee“, sagt Eva-Maria Nöthig.
Darüber hinaus sei mit Blick auf die Meereisentwicklung in der Framstraße anzunehmen, dass sich das Phänomen der Schmelzwasser-Schichtung und Schaumalgenblüten in Zukunft weiter in die Arktis hineinverlagern könnte, weil die Eisdecke immer dünner werde und die Eiskonzentration abnehme.
Eine abnehmende Eiskonzentration bedeutet, dass die Eisdecke allmählich aufbricht und immer mehr offene Wasserflächen zwischen den einzelnen Eisschollen entstehen. Eine derart durchlöcherte Eisdecke besitzt deutlich mehr Eisrandzonen als eine geschlossene Eisfläche, wodurch dann vielerorts beste Voraussetzungen für die Entstehung einer Schmelzwasserschicht gegeben sind. Hinzu kommt die abnehmende Dicke des Meereises: Dünne Eisschollen schmelzen schneller als dicke, was den lokalen Schmelzwassereintrag erhöht.
„In der Framstraße sehen wir aufgrund ihrer natürlichen Eis- und Strömungsverhältnisse heute schon jene Prozesse, die im Zuge des Klimawandels künftig auch in der zentralen Arktis ablaufen könnten. Genau das macht diese Region zu einem so wertvollen Modellgebiet für die Klima- und Meeresforschung und die Messungen unseres FRAM-Observatoriums so wahnsinnig spannend“, sagt Nöthig.
Sie und ihre Kolleginnen und Kollegen stehen jetzt vor der Herausforderung, die FRAM-Messdaten aus den Jahren 2018 bis 2021 auszuwerten. Wilken-Jon von Appen wird sich dabei vor allem auf die Temperatur- und Salzgehaltsdaten konzentrieren. „Als wir mit unseren FRAM-Messungen begannen, wussten wir noch nicht, wie flach die Schichtung in der oberen Wassersäule ausfallen kann. In den Folgejahren haben wir unsere Verankerungsketten deshalb mit mehr Sensoren bestückt. Selbst an den Auftriebskörpern stecken jetzt Temperatursensoren, sodass wir guter Hoffnung sind, die Prozesse der Wassermassenschichtung direkt an der Meeresoberfläche und die Rolle des Meereises dabei bald schon noch besser zu verstehen“, sagt der Wissenschaftler.
FRAM-Observatorium – Ein Quantensprung der Möglichkeiten
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Institutes betreiben seit fast 25 Jahren Langzeit-Forschungsreihen in der Framstraße, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Meereszirkulation und die Tier- und Pflanzenwelt zu untersuchen. Durch den Zusammenschluss und den Ausbau ihrer einstigen Verankerungsketten und des Tiefseeobservatoriums „Hausgarten“ zum neuen FRAM-Observatorium aber haben sich seit Herbst 2014 die technischen Möglichkeiten der Forschenden um ein Vielfaches erweitert. Finanziert durch die Helmholtz-Gemeinschaft wurden ortsgebundene Messeinheiten wie die Verankerungsketten mit neuen und deutlich mehr Messgeräten bestückt, sodass physikalische, chemische und biologische Parameter jetzt das ganze Jahr hindurch in einer viel größeren räumlichen und zeitlichen Auflösung erfasst werden können. Außerdem kommen mittlerweile auch bewegliche Komponenten wie Tiefseeroboter, Eisbojen und autonom navigierende Unterwasserroboter zum Einsatz. Sie erlauben kontinuierliche autonome Messungen in Meereszonen (z.B. auf dem Eis, im Eis, direkt unter dem Eis oder aber am Tiefseemeeresboden) oder aber zu Zeiten, in denen das zuvor unmöglich gewesen ist. Weiterführende Informationen zum FRAM-Observatorium finden Sie auf der AWI-Webseite.
Dr. Wilken-Jon von Appen ist physikalischer Ozeanograph am Alfred-Wegener-Institut und wertete unterstützt von 25 Kolleginnen und Kollegen die ersten beiden Jahres-Datensätze der FRAM-Verankerungen in der zentralen Framstraße aus. Seine detaillierte Analyse ist jetzt als wissenschaftliche Studie in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen. Deren Originaltitel lautet:
von Appen et al., 2021. Sea-ice derived meltwater stratification slows the biological carbon pump: results from continuous observations; DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-26943-z
Dr. Eva-Maria Nöthig forscht als Meeresbiologin am Alfred-Wegener-Institut und koordiniert seit fast 30 Jahren die AWI-Langzeituntersuchungen zum Plankton in der zentralen Arktis sowie in der Framstraße, seit 2009 mit der PEBCAO-Gruppe. Sie und ihr Team konnten unter anderem nachweisen, dass mit der Erwärmung des Westspitzbergenstroms auch nordatlantische Flohkrebse in die Framstraße einwandern.
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