Zum Inhalt springen Zum Footer springen

Produktionsraten

In der Arktis wird der Meereisrückgang aufgrund der zeitig einsetzenden Schmelze im Frühjahr, des verspäteten Eiswachstums im Herbst und der allgemein steigenden Temperaturen mit großer Wahrscheinlichkeit massive Auswirkungen auf das Leben im und am Meereis haben. Dabei wird es vermutlich Gewinner und Verlierer geben. In der Arktis haben die Verringerung der Meereisfläche und der stärkere Lichteinfall durch das dünnere Eis dazu geführt, dass die Primärproduktion im freien Wasser durch das pflanzliche Plankton zugenommen hat. So zeigen Satellitendaten, dass die geringere Eisbedeckung seit 1998 zu einem Anstieg der jährlichen Netto-Primärproduktion in eisfreien arktischen Gewässern um 30 Prozent geführt hat. Da größere Meeresgebiete eisfrei sind, kann der Wind zudem stärker angreifen und das Wasser durchmischen, wodurch verstärkt Nährstoffe nach oben gefördert werden und dem im freien Wasser lebenden Plankton zur Verfügung stehen (IPCC, 2019).

Auch unter dem dünneren Meereis gibt es durch den verstärkten Lichteinfall im freien Wasser intensivere Phytoplanktonblüten. Früher nahm man an, dass Blüten mit Ausdehnungen von mehreren Tausend Quadratkilometern auf die Eisrandgebiete und den offenen Ozean beschränkt sind, wo reichlich Licht vorhanden ist. Seit einiger Zeit aber mehren sich jedoch die Hinweise, dass solche Blüten auch in Gebieten mit geringerer Eisdicke oder unter ausgedehnten Schmelzwassertümpeln und an Rissen im Eis auftreten (Cavan et al., 2019). Zusätzlich zu seinem Einfluss auf die Phytoplanktonblüten im freien Wasser fördert die Ausbreitung des einjährigen Meereises auch das Wachstum von Eisalgen aufgrund der erhöhten Lichtverfügbarkeit (IPCC, 2019).

Dass die zunehmende Lichtverfügbarkeit zunächst einen positiven Einfluss auf das Wachstum der Algen im Meereis und dem umgebenden freien Wasserkörper hat, gilt als sicher. Schwieriger ist es abzuschätzen, wie sich die Nährstoffversorgung der Algen im und unter dem Eis verändern wird (IPCC, 2019). Grundsätzlich sind Nährstoffe der Schlüssel für das Algenwachstum - sowohl im Meereis als auch in der Wassersäule. Im Vergleich zu Licht ist jedoch noch unklar, wie sich die Nährstoffsituation entwickeln wird. Die ultimative Nährstoffquelle im Meereis ist das Seewasser. Die Nährstoffkonzentrationen im Meereis werden durch die Zirkulation der Sole und den Austausch mit dem darunterliegenden nährstoffreicheren Wasser aus der Tiefe gesteuert. Einen gegenteiligen Effekt könnte der Zufluss von Süßwasser vom Land haben, der sich durch eine zunehmende Schmelze der Eismassen auf dem Kontinent verstärken könnte. Das Süßwasser hat eine geringere Dichte und ist leichter und schichtet sich daher über dem Meerwasser ein. Dies behindert den Nährstoffaustausch mit dem darunterliegenden nährstoffreichen Wasser. Im Hinblick auf die Nährstoffe und die Primärproduktion gibt es also gegenläufige Trends. Offene Wasserflächen und Wind können zu einer Durchmischung und guten Nährstoffversorgung führen. Zugleich erhöht sich durch das dünne Eis die Lichtverfügbarkeit. Die durch die Klimaerwärmung getriebenen verstärkten Schmelzwasserzuflüsse von Land aber könnten durch die Wasserschichtung zu Nährstoffmangel an der Meeresoberfläche führen (Lannuzel et al., 2020).

Die zukünftige Primärproduktion im Meereis lässt sich auch deshalb schwer einschätzen, weil die Nährstoffkonzentration in den Solekanälen im Meereis künftig von ganz verschiedenen Einflussgrößen bestimmt werden könnte. Änderungen der Nährstoffkonzentrationen im Meereis werden hauptsächlich durch das vertikale Fließen der Sole zwischen Eis und Meerwasser beeinflusst. Die Soledynamik hängt wiederum von der Eistemperatur und dem Salzgehalt ab. Die Eistemperaturen aber könnten während der Eisbildung in den Wintermonaten einerseits aufgrund einer wärmeren Atmosphäre ansteigen, andererseits aber auch aufgrund geringerer Schneefälle abnehmen, weil die Eisoberfläche ohne schützende Schneedecke stärker auskühlt. Insofern gibt es aktuell noch Unsicherheiten hinsichtlich zukünftiger Nährstoffvorräte in den offenen Gewässern und der Nährstoffdynamik im Meereis (Lannuzel et al., 2020).

Als sicher gilt hingegen, dass der Lebensraum für die im Eis lebenden Mikroalgen durch das Schmelzen des Eises schrumpfen wird. Zwar können bei moderatem Schmelzen im Frühjahr und Sommer im Eis zunächst größere Hohlräume entstehen, die den Eisalgen mehr Platz bieten, sodass ihre Biomasse sogar zunehmen kann. Doch schmilzt das Eis komplett ab, bedeutet dies den Totalverlust des Habitats. Hinzu kommt, dass grundsätzlich die Menge des dicken mehrjährigen Eises abnimmt, das den Eisalgen für die Besiedlung deutlich mehr Raum bietet. Insofern wird befürchtet, dass die Artenvielfalt der Eisalgengemeinschaften mit einer weiteren Erwärmung der Arktis abnimmt.

Zugleich dürften dank der besseren Lichtverhältnisse und der zunehmend offenen Meeresfläche verstärkt Phytoplanktonarten aus südlicheren Breiten wie die weit verbreitete Schaumalge Phaeocystis in die hohe Arktis vordringen. Während die Zahl der Eisalgenarten abnimmt, würde es zu einer gleichmäßigeren Breitenverteilung solcher Phytoplanktonarten kommen. Vorteile hätten vor allem jene Arten, die schnell wachsen und gut unter intensiverem Licht und bei geringeren Nährstoff- und Salzgehalten gedeihen. Zu den Gewinnern unter solchen Umweltbedingungen dürften Dinoflagellaten  zählen – mit Haken und Geißeln ausgestattete Einzeller, die ebenfalls Photosynthese betreiben können. Kieselalgen, die heute das Eis dominieren, dürften seltener werden. Ein Rückgang wird etwa für Meereisspezialisten wie die Kieselalge Nitzschia frigida erwartet. Das ist vor allem deshalb problematisch, weil viele im Eis lebende Kieselalgen zu den wichtigsten Produzenten von energiereichen Fettsäuren gehören, die für das Zooplankton eine Hauptenergiequelle sind. Über die Nahrungskette nehmen höhere Lebewesen wie etwa Fische die Fettsäuren auf. Wie sich der Mangel an Fettsäuren durch eine mögliche Abnahme der Eisalgenpopulation auf das gesamte Nahrungsnetz auswirken könnte, ist noch ungeklärt. Im Bereich von Schmelztümpeln dürften durch die hohe Lichtverfügbarkeit hingegen vor allem im freien Wasser lebende Kieselalgen-Arten aus den Gattungen Chaetoceros, Thalassiosira und Fragilariopsis gedeihen, die aber weit weniger Energie als ihre Verwandten im Eis liefern (Lannuzel et al., 2020).

Indes werden die Veränderungen der Primärproduktion nicht überall in der Arktis gleich sein. Für die westliche Arktis, in der das einjährige Meereis das mehrjährige Meereis zu einem großen Teil ersetzen wird, rechnen Experten zwar allgemein mit einer Steigerung der Primärproduktivität, aber einem wahrscheinlichen Verlust der biologischen Vielfalt von Eisalgen. Für die östliche Arktis lässt sich die Steigerung der Primärproduktivität schlechter abschätzen, weil die zukünftige Nährstoffsituation noch ungewiss ist – insbesondere wegen der Unwägbarkeiten von Schmelzwasserflüssen von Land oder einer stärkeren Durchmischung der offenen Wassermassen durch Wind (Lannuzel et al., 2020).

Der Südliche Ozean um die Antarktis ist die weltweit größte Region, die zwar einen sehr hohen Nährstoffgehalt hat, sich aber dennoch durch ein relativ geringes Wachstum von Mikroalgen auszeichnet. Solche Gebiete werden als High-nutrient-low-Chlorophyll-Regionen bezeichnet – als HNLC (viel Nährstoff, wenig Pflanzenfarbstoff Chlorophyll). Der Grund für das geringe Algenwachstum ist der Mangel eines einzigen Elements, des Eisens, das ein wichtiger Pflanzennährstoff ist. In manchen Regionen kommt ein Mangel an Silizium hinzu. Silizium ist ein wichtiger Baustein der Kieselsäure, die Kieselalgen für den Aufbau ihres Panzers benötigen. Obwohl ansonsten ausreichend Nährstoffe im Wasser enthalten sind, begrenzen Eisen und Silizium das Wachstum. Wie sich die Primärproduktion in Zukunft mit dem Klimawandel verändert, hängt daher insbesondere davon ab, wie sich die Konzentration von Eisen und Silizium im Wasser entwickeln wird (Henley, 2020).

Am größten ist die Biomasse des pflanzlichen Planktons und die Primärproduktion heutzutage nördlich der Polarfront im atlantischen Sektor des Südozeans, in der Region der subtropischen Front des westpazifischen Sektors sowie über dem antarktischen Kontinentalschelf – etwa in der Prydz-Bucht, im Rossmeer, in der Amundsen- und der Bellingshausensee  (Henley, 2020).

Zwischen der Polarfront und der südlichen Grenze des antarktischen Zirkumpolarstroms ist die Primärproduktion am niedrigsten, insbesondere im indischen Sektor innerhalb und nördlich der Meereiszone. In den HNLC-Gewässern, in denen das Phytoplanktonwachstum durch Eisen begrenzt ist, wechselt die Zusammensetzung des Phytoplanktons von Jahreszeit zu Jahreszeit. Regionen mit starkem Algenwachstum hingegen werden tendenziell durch Blüten von Kieselalgen, Phaeocystis oder Nanoplankton dominiert – etwa in Wasserwirbeln hinter Inseln oder am Eisrand. Im nördlichen Teil der Westantarktischen Halbinsel etwa wurden bereits Chlorophyll-a-Rekordwerte von mehr als 45 Milligramm pro Kubikmeter in Kieselalgenblüten gemessen (Henley, 2020).

Simulationen deuten darauf hin, dass die Primärproduktion mit dem Klimawandel in weiten Teilen des Südlichen Ozeans um 50 Prozent zunehmen könnte. Wie die Simulationen zeigen, dürften dazu verschiedene Faktoren beitragen, die nicht zuletzt zu einer Besserung der Eisenversorgung führen könnten. Eisen gelangt heute durch Windströmungen insbesondere mit Staub oder aus Busch- und Waldbränden in den Südozean. Zudem gelangt Eisen durch Meereswirbel zur Wasseroberfläche. In anderen Regionen wird das Eisen mit Meeresströmungen herantransportiert. Experten gehen davon aus, dass sich die Luftströmungen mit dem Klimawandel so verstärken, dass künftig mehr Eisen in die antarktischen Gewässer eingetragen wird. Stärkere Meeresströmungen in der Westantarktis wiederum könnten die Meereswirbel verstärken, wodurch eisenhaltige Wassermaßen aus den Subtropen Richtung Antarktis geführt werden. Der Zunahme der Primärproduktion durch eine bessere Eisenversorgung steht indes ein Effekt entgegen: Durch steigende Temperaturen kann es im Südozean zu einer stärkeren Wolkenbildung kommen, die den Lichteinfall im antarktischen Frühjahr schwächt (Henley, 2020).

Wie in der Arktis wird auch für die Antarktis erwartet, dass sich die Zusammensetzung der Algen im und am Meereis mit dem Klimawandel deutlich verändern wird. Allerdings sind Vorhersagen schwierig, weil es bislang vergleichsweise wenige Untersuchungen gibt. Es gibt Hinweise darauf, dass sich das im Wasser freischwimmende Phytoplankton mit zunehmend wärmeren Wassermassen Richtung Süden in die sub-antarktische Zone ausbreiten wird (Henley, 2020). Das Schwinden des Meereises in der Antarktis war in den vergangenen Jahren weniger klar ausgeprägt, als in der Arktis. Während die Ausdehnung des Meereises vor allem in der Westantarktis abnahm, gab es im Osten leichte Zugewinne. In letzter Zeit aber scheint die Meereisfläche auch im Osten kleiner zu werden (IPCC, 2019). Mit dem Rückzug des Meereises Richtung Pol wird mehr Raum für Planktongemeinschaften des offenen Wassers frei, während der Lebensraum für die Eisalgen schrumpft. Insbesondere wird erwartet, dass auch in der Antarktis die Zahl der eisgebundenen Kieselalgenarten abnimmt, während andere Phytoplankton-Arten wie etwa Flagellaten häufiger auftreten werden (Henley, 2020).

Was die Lebensgemeinschaften im offenen Wasser angeht, könnte der Trend aber durchaus anders aussehen: Höhere Meerestemperaturen und Eisenkonzentrationen können für Kieselalgen und andere Arten förderlich sein, die im freien Wasser und am Eisrand starke Algenblüten bilden. Die durch steigende Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre bewirkte Ozeanversauerung und andere Umweltfaktoren dürften aber ihrerseits die Artenzusammensetzung der Kieselalgengemeinschaften verändern. Erwartet wird, dass sich die biogeografischen Provinzen der Phytoplankton-Gemeinschaften im Südpolarmeer in den kommenden Jahrzehnten wahrscheinlich räumlich verschieben oder grundlegend verändern werden (Henley, 2020).

Cavan, E.L., A. Belcher, A. & A. Atkinson et al. (2019): The importance of Antarctic krill in biogeochemical cycles. Nat Commun 10, 4742. doi.org/10.1038/s41467-019-12668-7
Grosfeld, K. , R. Treffeisen & S. Löschke (2020): DriftStories aus der zentralen Arktis - Ein Jahr, eine Scholle - Meereisforschung extrem / K. Grosfeld , R. Treffeisen and S. Löschke (editors), Bremerhaven, REKLIM - Helmholtz-Verbund Regionale Klimaänderungen und Mensch, 106 p., ISBN: 978-3-9822680-0-2.
Henley, S.F. et al. (2020): Changing Biogeochemistry of the Southern Ocean and Its Ecosys-tem Implications. Frontiers in Marine Science, 7, 581.
IPCC, 2019: IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate [H.-O. Pörtner, D.C. Roberts, V. Masson-Delmotte, P. Zhai, M. Tignor, E.  Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Nicolai, A. Okem, J. Petzold, B. Rama, N.M. Weyer (eds)].
Lannuzel, D., L. Tedesco & M. van Leeuwe et al. (2020): The future of Arctic sea-ice bio-geochemistry and ice-associated ecosystems. Nat. Clim. Chang. 10, 983–992. doi.org/10.1038/s41558-020-00940-4
Maribus gGmbH (Ed.) (2019): Arktis und Antarktis – extrem, klimarelevant, gefährdet. In: World Ocean Review, Band 6.
Massom R. A., et al. (2010): Antarctic sea ice change and variability e Physical and ecological implications. Polar science 4, 149-186.