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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?
In der Arktis steigen die Temperaturen 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 die Eisbären, könnte das existenzbedrohlich werden. Andere Arten könnten jedoch davon profitieren, so vermuten 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 Jesse Farmer, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Geowissenschaften an der Princeton University. 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.
«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, 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 anderes Isotopenmuster aufweist, und die Versorgung des Oberflächen-Planktons mit Stickstoff veränderten.
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.
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.
Nach Osten hin, weg von der Beringstrasse, wird das Wasser aus dem Pazifik verdünnt, sodass 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, eine 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, sodass 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.
Zusammenfassung von «Arctic Ocean stratification set by sea level and freshwater inputs since the last ice age» des Max-Planck-Institutes für Chemie in Mainz.