Das sich vertiefende Geheimnis: Wie Meer

Von Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, 28. August 2023

Amphipode Themisto libellula aus dem Arktischen Ozean. Bildnachweis: Alfred-Wegener-Institut / Barbara Niehoff

Einer neuen Studie zufolge beeinflusst der Klimawandel die saisonale vertikale Migration von Zooplankton in der Arktis.

Increasing Arctic sea ice melting allows sunlight to penetrate deeper into the ocean, affecting marine zooplankton’s migratory behavior. Research led by the Alfred Wegener Institute indicates this could cause frequent zooplankton food shortages in the future, potentially impacting larger Arctic speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Spezies. Die Studie legt nahe, dass die Eindämmung der globalen Erwärmung auf das 1,5-Grad-Ziel für den Schutz des arktischen Ökosystems von entscheidender Bedeutung ist.

Aufgrund der zunehmenden Meereisschmelze in der Arktis dringt das Sonnenlicht immer tiefer in den Ozean ein. Da marines Zooplankton auf das vorhandene Licht reagiert, verändert sich dadurch auch sein Verhalten – insbesondere die Art und Weise, wie die winzigen Organismen innerhalb der Wassersäule auf- und absteigen. Wie ein internationales Forscherteam unter Leitung des Alfred-Wegener-Instituts nun zeigte, könnte dies in Zukunft zu häufigeren Nahrungsknappheiten für das Zooplankton und zu negativen Auswirkungen für größere Arten wie Robben und Wale führen.

The study was just published today (August 28, 2023) in the journal Nature Climate ChangeEstablished in 2011 as the continuation of <em>Nature Reports Climate Change</em>, which was itself established in 2007, <em>Nature Climate Change</em> is a monthly peer-reviewed scientific journal publishing the most significant research across the physical and social sciences on the impacts of global climate change. It is published by Nature Publishing Group and covers all aspects of research on global warming, including implications for the economy, policy and the world at large." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Natur Klimawandel.

Wissenschaftler installieren im September 2020 am Ende der MOSAiC-Etappe 5 mit FS Polarstern Bojen auf einer Eisscholle im zentralen Arktischen Ozean. Die Bojen arbeiten als autonomes biophysikalisches Observatorium auf Meereis und im Ozean. Bildnachweis: Alfred-Wegener-Institut / Folke Mehrtens

Als Reaktion auf den anthropogenen Klimawandel nehmen Ausdehnung und Dicke des arktischen Meereises ab; Die mittlere Meereisausdehnung nimmt derzeit um 13 Prozent pro Jahrzehnt ab. Bereits im Jahr 2030 – wie neueste Studien und Simulationen zeigen – könnte der Nordpol seinen ersten eisfreien Sommer erleben. Dadurch verändern sich die physikalischen Bedingungen für Organismen im Arktischen Ozean ebenso deutlich.

Aufgrund des geringeren und dünneren Meereises kann das Sonnenlicht beispielsweise viel weiter unter die Oberfläche dringen. Dadurch kann unter bestimmten Bedingungen die Primärproduktion – also das Wachstum – von Mikroalgen im Wasser und Eis erheblich gesteigert werden. Wie sich diese veränderten Lichtverhältnisse auf höhere trophische Ebenen in der Nahrungskette – wie Zooplankton, das sich teilweise von Mikroalgen ernährt – auswirken, ist noch wenig verstanden. Ein internationales Forscherteam um Dr. Hauke ​​Flores vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) hat hierzu nun wertvolle Erkenntnisse gewonnen.

Wissenschaftler installieren im September 2020 am Ende der MOSAiC-Etappe 5 mit FS Polarstern Bojen auf einer Eisscholle im zentralen Arktischen Ozean. Die Bojen arbeiten als autonomes biophysikalisches Observatorium auf Meereis und im Ozean. Das Observatorium bestand unter anderem aus einem Acoustic Zooplankton and Fish Profiler (AZFP), der die akustische Rückstreuung in den oberen 50 m des Ozeans misst, einer Strahlungsstation, die mit hyperspektralen Lichtsensoren ausgestattet ist und die Bestrahlungsstärke an der Eisunterseite zwischen 350 und 920 nm misst25, und eine CTD-Boje (Leitfähigkeit, Temperatur, Tiefe). Bildnachweis: Alfred-Wegener-Institut / Folke Mehrtens

Laut Flores: „Jeden Tag findet im Ozean die größte Massenbewegung von Organismen auf unserem Planeten statt – die tägliche Wanderung des Zooplanktons, zu dem auch winzige Ruderfußkrebse und Krill gehören.“ Nachts steigt das Zooplankton zur Nahrungsaufnahme in die Nähe der Wasseroberfläche. Wenn der Tag kommt, wandern sie zurück in die Tiefe, um sich vor Raubtieren zu schützen. Obwohl die einzelnen Organismen winzig klein sind, führt dies zusammengenommen zu einer enormen täglichen vertikalen Bewegung der Biomasse innerhalb der Wassersäule.

„Aber in den Polarregionen ist die Migration anders – sie ist saisonabhängig; Mit anderen Worten: Das Zooplankton folgt einem saisonalen Zyklus. Während der monatelangen Helligkeit des Polartages im Sommer bleiben sie in der Tiefe; Während der monatelangen Dunkelheit der Polarnacht im Winter steigt ein Teil des Zooplanktons auf und bleibt im oberflächennahen Wasser direkt unter dem Eis.“

Sowohl die tägliche Wanderung in niedrigeren Breiten als auch die saisonale Wanderung in den Polarregionen werden überwiegend durch das Sonnenlicht bestimmt. Die winzigen Organismen bevorzugen normalerweise Dämmerungsbedingungen. Sie bleiben gerne unterhalb einer bestimmten Lichtintensität (kritische Bestrahlungsstärke), die meist recht niedrig ist und weit im Dämmerungsbereich liegt. Wenn sich die Intensität des Sonnenlichts im Laufe eines Tages oder der Jahreszeiten ändert, begibt sich das Zooplankton dorthin, wo es seine bevorzugten Lichtverhältnisse vorfindet, was letztendlich dazu führt, dass es in der Wassersäule aufsteigt oder absinkt.

„Besonders für die obersten 20 Meter der Wassersäule, knapp unter dem Meereis, lagen keine Daten zum Zooplankton vor“, erklärt Flores. „Aber gerade dieser schwer zugängliche Bereich ist am interessantesten, denn dort und knapp unter dem Eis wachsen die Mikroalgen, von denen sich das Zooplankton ernährt.“

Um dort Messungen durchzuführen, konzipierte und baute das Team ein autonomes biophysikalisches Observatorium, das es am Ende der MOSAiC-Expedition mit dem AWI-Forschungseisbrecher Polarstern im September 2020 unter dem Eis verankerte. Hier – fernab jeglicher Lichtverschmutzung durch den Menschen Aktivitäten – das System konnte kontinuierlich die Lichtintensität unter dem Eis und die Bewegungen des Zooplanktons messen.

„Anhand unserer Messwerte haben wir eine äußerst niedrige kritische Bestrahlungsstärke für das Zooplankton ermittelt: 0,00024 Watt pro Quadratmeter“, sagt der AWI-Forscher. „Diesen Parameter haben wir dann in unsere Computermodelle zur Simulation des Meereissystems eingespeist. Dadurch konnten wir für eine Reihe von Klimaszenarien prognostizieren, wie sich die Tiefe dieser Einstrahlung bis zur Mitte dieses Jahrhunderts ändern würde, wenn das Meereis aufgrund des Klimawandels immer dünner würde.“

Was die Experten herausfanden: Aufgrund der stetig abnehmenden Eisdicke würde die kritische Einstrahlungsstärke in größeren Tiefen immer früher im Jahr sinken und erst später und später im Jahr wieder an die Oberflächenschicht zurückkehren. Da das Zooplankton grundsätzlich in Gewässern unterhalb dieses kritischen Niveaus verbleibt, würden seine Bewegungen diese Veränderung widerspiegeln. Dementsprechend bleiben sie in diesen Zukunftsszenarien immer länger in größeren Tiefen, während ihre Zeit an der Oberfläche unter dem Eis im Winter immer kürzer wird.

„In künftigen wärmeren Klimazonen wird sich das Eis später im Herbst bilden, was zu einer geringeren Eisalgenproduktion führt“, erklärt Flores. „In Kombination mit ihrem verzögerten Aufstieg an die Oberfläche könnte dies dazu führen, dass es im Winter häufiger zu Nahrungsknappheit für das Zooplankton kommt. Gleichzeitig könnte ein früherer Anstieg des Zooplanktons im Frühjahr die Larven ökologisch wichtiger Zooplanktonarten in tieferen Schichten gefährden, von denen dann mehr davon von den Erwachsenen gefressen werden könnten.“

„Insgesamt deutet unsere Studie auf einen bisher übersehenen Mechanismus hin, der die Überlebenschancen des arktischen Zooplanktons in naher Zukunft weiter verringern könnte“, sagt Flores. „Wenn es dazu kommt, wird es fatale Folgen für das gesamte Ökosystem haben, einschließlich Robben, Wale und Eisbären. Unsere Simulationen zeigen aber auch, dass die Auswirkungen auf die vertikale Migration bei Erreichen des 1,5-Grad-Ziels deutlich geringer ausfallen werden als bei einem ungebremsten Anstieg der Treibhausgasemissionen. Dementsprechend ist jedes Zehntel Grad anthropogener Erwärmung, das vermieden werden kann, von entscheidender Bedeutung für das arktische Ökosystem.“

Referenz: „Der Rückgang des Meereises könnte das Zooplankton länger tiefer halten“ von Hauke ​​Flores, Gaëlle Veyssière, Giulia Castellani, Jeremy Wilkinson, Mario Hoppmann, Michael Karcher, Lovro Valcic, Astrid Cornils, Maxime Geoffroy, Marcel Nicolaus, Barbara Niehoff, Pierre Priou , Katrin Schmidt und Julienne Stroeve, 28. August 2023, Nature Climate Change.DOI: 10.1038/s41558-023-01779-1