Klima

© European Union, Copernicus Sentinel-3 imagery / Wikimedia Commons

Pressemitteilung, 27.09.2023, Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

Eisen und Mangan beeinflussen das Algenwachstum und damit auch den Kohlenstoff-Transport im Südpolarmeer

[27. September 2023] Der richtige Mix von Spurenelementen ist entscheidend für eine gesunde Ernährung. Diese Devise gilt nicht nur für Menschen, sondern auch für das Phytoplankton. Die winzigen Algen im Südpolarmeer haben als Kohlendioxid-Speicher maßgebliche Effekte auf das Weltklima. So zeigt eine neue Studie des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) und der Universität Bremen einen interessanten Zusammenhang: Wenn das Phytoplankton gleichzeitig mehr Eisen und Mangan bekommt, verändert sich seine Lebensgemeinschaft. Die Algen können dann mehr CO2 binden und bilden mehr klebrige, kohlenstoffreiche Kolonien, die besser auf den Meeresgrund sinken. Dadurch holen sie den Kohlenstoff effizienter aus der Atmosphäre, berichtet das Forschungsteam im Fachjournal Current Biology.

Da das Südpolarmeer reich an Nährstoffen wie Nitrat und Phosphat ist, sollte man dort eigentlich auch ein üppiges Algenwachstum erwarten. Doch in den meisten Regionen gibt es erstaunlich wenig Phytoplankton. Schon länger ist bekannt, dass hinter dieser Wachstumsschwäche vor allem ein kräftiger Eisen-Mangel steckt, teilweise ist aber auch Mangan knapp. Ob das auch für das südliche Weddellmeer gilt, wusste bisher allerdings niemand. Nun aber haben Forschende des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) sowie der Universität Bremen nicht nur die Mengen beider Elemente in den abgelegenen und schwer erreichbaren Gewässern am 77. Breitengrad untersucht. Zum ersten Mal haben sie während der COSMUS-Expedition im Jahr 2021 auch getestet, welchen Einfluss beide Spurenmetalle auf die dortigen Algengemeinschaften haben.

Dabei hat sich herausgestellt, dass im Vergleich zu ihrer möglichen Photosynthese-Leistung die Algen im gesamten südlichen Weddellmeer erstaunlich schlecht wachsen und somit auch weniger Kohlenstoff zum Meeresgrund transportieren als eigentlich möglich wäre. Dieses Ergebnis passt zu der ebenfalls schlechten Versorgung mit Spurenelementen: „Tatsächlich haben wir überraschend geringe Konzentrationen von Eisen und Mangan gefunden“, berichtet Erst-Autorin Jenna Balaguer, deren Doktorarbeit von Scarlett Trimborn betreut und am AWI und der Universität Bremen durch das Schwerpunktprogramm Antarktisforschung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wurde. „Für manche Phytoplankter scheinen beide Substanzen sehr knapp zu sein, während andere nur Eisen benötigen.“ Und das hat offenbar weitreichende Folgen.

Diese wurden deutlich, als die Gruppe Meerwasser aus der Region in Behälter füllte und dann entweder Eisen oder Mangan oder beides dazugab. „Dabei hat sich gezeigt, dass die Eisenversorgung tatsächlich nicht der einzige entscheidende Faktor ist“, sagt AWI-Forscher und Studienmitautor Florian Koch. „Erst durch die Kombination von Eisen und Mangan konnten wir das Wachstum der Algen so richtig ankurbeln.“ Damit aber nicht genug: Da die einzelnen Arten durchaus unterschiedliche Ansprüche an die Versorgung mit Spurenelementen haben, veränderte sich mit den Zugaben auch die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft.

Das aber ist nicht nur ökologisch interessant, sondern hat auch weitreichende Konsequenzen für das Kohlenstoffbudget der Erde und damit für das Klimagleichgewicht. Denn das Phytoplankton hat einen wichtigen Einfluss auf den Kohlenstoff-Transport im Meer. Sobald die grünen Winzlinge per Photosynthese Energie gewinnen, setzen sie nämlich nicht nur große Mengen Sauerstoff frei. Gleichzeitig nehmen sie auch das Treibhausgas Kohlendioxid auf und bauen den darin enthaltenen Kohlenstoff in ihre Zellen ein. Wenn sie dann absterben und auf den Meeresgrund sinken, nehmen sie diesen Kohlenstoff mit. Statt in der Atmosphäre für weiter steigende Temperaturen zu sorgen, wird er durch diese biologische Pumpe also in die Tiefsee exportiert.

Gerade die Vorgänge im Untersuchungsgebiet der Studie sind in dieser Hinsicht besonders interessant. Immerhin geht etwa ein Viertel des insgesamt von den Organismen des Südpolarmeers aufgenommenen Kohlenstoffs auf das Konto des Phytoplanktons, das südlich des 55. bis 60. Breitengrades im Weddellmeer treibt. „Zum ersten Mal haben wir deshalb auch untersucht, wie der Eisen- und Mangan-Mangel dort den Kohlenstoff-Export beeinflusst“, sagt Jenna Balaguer.

Tatsächlich zeigen die Experimente, dass schon relativ kleine Veränderungen in der Artenzusammensetzung einen unerwartet großen Effekt auf diesen Prozess haben können. Denn je nach Größe, Form und sonstigen Eigenheiten sinken manche Zellen schneller und häufiger auf den Meeresgrund als andere. So führte die Zugabe von Spurenelementen zu einem starken Wachstum der Alge Phaeocystis antarctica. Diese gesellige Art bildete größere und mehr kohlenstoffreiche Kolonien, die dann zusammen mit den örtlichen Kieselalgen auch besonders gut absanken. Reicherte das Forschungsteam das Wasser nur mit Eisen an, verdoppelte sich dadurch das Export-Potential für Kohlenstoff. Eine Kombination von Eisen und Mangan ließ es um das Vierfache ansteigen.

Was aber bedeutet das für die Zukunft des Südpolarmeeres? Momentan lässt sich laut dem Studienteam nicht genau vorhersagen, welche Phytoplankton-Arten vom höheren CO2-Gehalt profitieren werden und wieviel mehr CO2 der Ozean dann aufnehmen kann als heute. Allerdings zeigt die Studie klar, dass ein zusätzlicher Eintrag von Eisen und Mangan durch Eisschmelze und Sedimente das Algenwachstum drastisch ankurbeln und die biologische Kohlenstoffpumpe auf Hochtouren arbeiten lassen könnte. Was der Klimawandel tatsächlich bewirken wird, lässt sich nur mithilfe von Modellen einigermaßen abschätzen. Und die sollten die neuen Erkenntnisse nun unbedingt integrieren, schließen die AWI-Forschenden, denn die Auswirkungen von Mangan auf die Kohlenstoffpumpe hatten die Modelle bisher nicht auf der Rechnung.

Diese Pressemitteilung findet ihr beim Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung.

Die Originalpublikation „Iron and manganese availability drive primary production and carbon export in the Weddell Sea“ findet ihr bei Current Biology.

Das Bild zeigt eine großflächige Phytoplankton-Blüte im Sommer 2021 in der Barentssee, aufgenommen mit einem der Copernicus Sentinel-3 Satelliten.

Das Spurenelement Eisen, welches die Primärproduktion und damit die Aufnahme von CO2 fördert, kommt sowohl in den Kotballen von Krill als auch von Salpen vor. Forscher:innen haben herausgefunden, dass antarktisches Phytoplankton das Eisen im Kot von Salpen vergleichsweise besser aufnehmen kann.

© Alfred-Wegener-Institut / Mario Hoppmann (CC-BY 4.0)

Pressemitteilung, 08.09.2023, Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

Forschungseisbrecher zum siebten Mal am nördlichsten Punkt der Erde

[08. September 2023] Fünf Wochen nach dem Ablegen im norwegischen Tromsø erreicht das Forschungsschiff Polarstern des Alfred-Wegener-Instituts Station den nördlichsten Punkt der Erde. Das internationale Team von Forschenden untersucht auch hier die Kopplung zwischen Meereis, Ozean und seinem Leben bis in die Tiefsee. Bislang lieferte die am 3. August 2023 gestartete Expedition Arcwatch-1 einige überraschende Entdeckungen: So zeichnet sich 2023 durch ungewöhnliche Eisdrift aus, die die Lebensgemeinschaften unter dem Eis beeinflusst. Zudem hat das Team eine erstaunliche Artenvielfalt an einem bislang unkartierten Seeberg in 1500 Meter Wassertiefe unter dem Eis entdeckt.

Am 3. August 2023 ist der Forschungseisbrecher Polarstern im norwegischen Tromsø in See gestochen, um zwei Monate lang im Arktischen Ozean zu forschen. Ziel der aktuellen ArcWatch-1-Expedition ist es, die Biologie, Chemie und Physik des Meereises sowie die Auswirkungen des Meereis-Rückgangs auf das gesamte Ozeansystem von der Oberfläche bis in die Tiefsee zu untersuchen sowie in bisher unkartierte Regionen vorzudringen.

Nach einem kurzen Zwischenstopp auf Spitzbergen erreichte die Polarstern am 6. August die Eiskante bei 81,5° Nord und 17° Ost. In den darauffolgenden Wochen wurden Eisstationen zunächst entlang 85°N im Nansen- und Amundsen-Becken des Arktischen Ozeans durchgeführt, und dann nördlich entlang 130° Ost. Die Expedition erreichte dabei Anfang September die Region, in der die MOSAiC-Drift-Expedition in 2019 startete. Über tausende von Quadratkilometern wurden bisher 50 Bojen und autonome Messstationen verteilt. Zudem wurden mit dem vom Helikopter geschlepptem Messsystem „IceBird“ Eisdickenmessungen durchgeführt und parallel mit Fernerkundungsmethoden die Dynamik der Meereisbedeckung großflächig untersucht. Für die mehrtägigen Eisstationen legte das Schiff jeweils an einer Scholle an, Forschende gingen auf das Eis, bauten autonome Beobachtungsstationen auf, erforschten die Unterseite der Scholle mit einem Roboter und zogen Eiskerne, um das Leben im Netzwerk der winzigen Meereiskanäle zu untersuchen. Vom Schiff aus beprobten sie den Ozean unter dem Eis bis hinunter zum Meeresboden und setzten dafür verschiedene Tiefsee-Technologien wie das am AWI entwickelte Kamera- und Sonarsystem „Ocean Floor Observation and Bathymetry“ System (OFOBS) ein.

Letzteres lieferte am 21. August eines der vielen bisherigen Highlights der Expedition. Mithilfe von OFOBS konnten die AWI-Forschenden einen 2500 Meter hohen, bislang unkartierten Seeberg vermessen. Seine Basis liegt in 4000 Metern Tiefe, seine Spitze reicht bis 1500 Meter Tiefe unter die Meeresoberfläche. „Am Gipfel des Seebergs wimmelt es nur so vor Leben“, sagt Antje Boetius, Direktorin des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), die die Expedition leitet. „Wir fanden hier riesige, fast einen halben Meter große Schwämme, die über und über besiedelt waren mit Würmern, Krebsen und Weichkorallen. Für uns sehr überraschend stießen wir aber auch auf unzählige Fische, Aalmuttern und Scheibenbäuche, die für ihre Antifrost-Proteine bekannt sind. Die wunderschönen apricot-farbenen, fast einen halben Meter großen Seeanemonen waren ein fantastischer Anblick.“

Ein Ziel der Expedition sind zudem Vergleiche zu früheren Untersuchungen aus dem Jahr 2012 wie auch zu Untersuchungen der MOSAiC-Expedition. Im Jahr 2012 war das Team – ebenfalls unter Leitung der AWI-Direktorin Antje Boetius – mit Polarstern während der größten Meereisschmelze seit Beginn der Satelliten-Aufzeichnungen unterwegs. Über eine riesige Fläche fielen damals Meereislebewesen ins Wasser und sanken in die Tiefsee – besonders die fadenbildende endemische Meereisdiatomee Melosira arctica. Bei der Zersetzung der Algenteppiche durch Meeresbodenbakterien entstanden Sauerstoffminima im Meeresboden der Arktis. Das Team konnte nun elf Jahre später feststellen, dass das wiederholte Ausschmelzen der Meereisalgen in den vergangenen Jahren die Zusammensetzung der Meeresbodengemeinschaft verändert hat: ehemals dominante Arten wie Haarsterne sind verschwunden, dafür gibt es deutlich mehr Ringel- und Borstenwürmer sowie Seegurken. Allerdings fehlt dieses Jahr die Meereisalge Melosira arctica in großen Bereichen des Untersuchungsgebietes – sowohl im Eis wie am Meeresboden. Antje Boetius fasst zusammen: „An die Orte wiederzukehren, die wir erstmals 2012 untersuchten und die damals aufgezeichneten Phänomene des Klimawandels weiter zu verfolgen, ist für mich das wesentliche Ziel der Expedition. Wir sind sehr überrascht von der diesjährigen Veränderung in der Kopplung zwischen Meereis, Ozean und Meeresboden. Und froh, dass der weltweit heißeste Sommer 2023 nicht zu einer neuen Rekordschmelze geführt hat, da die zentrale Arktis durch eine besondere Wetterlage geschützt war.“

Ergebnisse der Meereisphysik erklären die Beobachtungen: So zeigte sich in diesem Jahr schon früh eine Anomalie in der Eisdrift, die dickeres Eis aus der westlichen zentralen Arktis nach Süden drückte. In den Regionen, wo 2012 und 2020 während MOSAiC junges Eis vom sibirischen Schelf mit vielen Algen gefunden wurde, dominierte dieses Jahr stark aufgeschmolzenes zweijähriges Eis aus dem kanadischen Becken. In den Sinkstofffallen und am Meeresboden war daher kaum abgesunkenes Material aus dem Eis zu finden. Auch die Ozeanographen bemerkten eine Anomalie: Die Schichtung des Meerwassers unter dem Eis war lokal durch Schmelzprozesse oder Vermischung durch starken Wind ausgeprägt, zeigte jedoch vergleichsweise hohen Salzgehalt. Grund ist wahrscheinlich eine geringere Schmelze und reduzierter Eintrag des Süßwasser-reichen Sibirischen Schelfmeeres. Direkt unter dem Eis begegneten den Planktologinnen und Planktologen an jeder Station auch andere Schwärme von Tieren – wie Manteltiere, Quallen, Flügelschnecken, Flohkrebse und Ruderfußkrebse. Anders als in 2012 wurde kaum Export von Biomasse in die Tiefsee beobachtet. Denn auch am Ende der Schmelzsaison gibt es noch eine ausgeprägte Schneeschicht auf dem Meereis. Diese macht das Eis und den Ozean darunter recht dunkel und führt sogar zum Aufsteigen von Phyto- und Zooplankton aus tieferen Wasserschichten an die hellere Unterseite des Eises. Zudem gibt es kaum Schmelztümpel auf dem Meereis, die sonst charakteristisch für den arktischen Sommer sind.

Auch die Vergleiche mit der Ausdehnung des Meereises während der MOSAiC-Drift-Expedition 2019-2020 lassen vermuten, dass 2023 über beiden Rekordminima von 2012 und 2020 liegen wird. Trotz des – seit Beginn von Wetterbeobachtungen  – weltweit heißesten Sommers 2023 zeigt das Meereis der Arktis durchschnittlich sogar etwas höherer Dicken als in den vergangenen Jahren. Sowohl die Meereisphysikerinnen und Meereisphysiker als auch die Klimadynamikerinnen und Klimadynamiker erklären das Phänomen mit einem starken Tiefdruckeinfluss in der zentralen Arktis. Es bleibt noch abzuwarten, wie sich die Eisschmelze bis Mitte September zum Minimum der Eisausdehnung entwickeln wird. Die ersten Herbststürme transportieren gerade warme Luft in Richtung Arktis.

Gestern erreichte das AWI-Forschungsschiff planmäßig den Nordpol. Es ist das insgesamt siebte Mal, dass der Forschungseisbrecher Polarstern in seiner 42-jährigen Geschichte den nördlichsten Punkt der Erde erreicht. Zuletzt drang das Schiff am 18. August 2020 während der MOSAiC-Expedition mit dem Expeditionsleiter Markus Rex bis zum Nordpol vor. Gerade begannen die mehrtägigen Arbeiten der laufenden Expedition ArcWarch mit einem Tauchgang zum geographischen Pol bei 90°N in 4224 m Wassertiefe. Derzeit bauen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Observatorien auf der Eisscholle, im Ozean und am Meeresboden auf. Anschließend werden sie ihre Forschungsarbeiten entlang des 60. Breitengrads fortsetzen. Die Polarstern wird am 1. Oktober 2023 wieder in Bremerhaven zurückerwartet.

Dabei ist auch ein Kamerateam der UFA Documentary GmbH, das die Expedition filmisch begleitet. Geplant ist die Ausstrahlung der in Kooperation mit dem NDR entstehenden Fernseh-Dokumentation für den Jahreswechsel in der ARD. Bereits während der Expedition können Interessierte im Hörfunkprogramm von Radio Bremen Eindrücke von Bord gewinnen und die Expedition natürlich auch in der Polarstern-Web-App und auf den Social-Media-Kanälen des Alfred-Wegener-Instituts verfolgen.

Diese Pressemitteilung findet ihr beim Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung.

Am 03. August 2023 ist die Polarstern in Richtung Nordpol aufgebrochen, um im Rahmen von ArcWatch 1 die Biologie, Chemie und Physik des Meereises und die Auswirkungen der Klimakrise auf das arktische Ökosystem zu untersuchen.

© Andy Collins, NOAA / Wikimedia Commons (PD)

Pressemitteilung, 31.08.2023, MARUM

In­ter­na­tio­na­le Ex­pe­di­ti­on vor der Küs­te von Ha­wai’i ge­star­tet

Ein Blick zu­rück auf die Um­welt­ver­än­de­run­gen im Lau­fe der Erd­ge­schich­te kann uns viel über die Zu­kunft ver­ra­ten – ins­be­son­de­re, wenn es um glo­bal und ge­sell­schaft­lich wich­ti­ge The­men wie den Mee­res­spie­gel, den Kli­ma­wan­del und die Ge­sund­heit des Ko­ral­len­riff-Öko­sys­tems geht. Eine in­ter­na­tio­na­le wis­sen­schaft­li­che For­schungs­ex­pe­di­ti­on, die im Auf­trag des In­ter­na­tio­nal Oce­an Dis­co­very Pro­gram (IODP) durch­ge­führt wird, zielt dar­auf ab, die Kli­ma- und Riff­be­din­gun­gen der Ver­gan­gen­heit vor der Küs­te von Hawai’i (USA) auf­zu­zeich­nen. Die zwei­mo­na­ti­ge For­schungs­ex­pe­di­ti­on wird Ende Au­gust den Ha­fen von Ho­no­lu­lu ver­las­sen.

Ko­ral­len­rif­fe re­agie­ren sehr emp­find­lich auf den Mee­res­spie­gel und an­de­re Ver­än­de­run­gen der Um­welt­be­din­gun­gen. Als Fos­si­li­en hal­ten sie eine Auf­zeich­nung ver­gan­ge­ner Be­din­gun­gen über Hun­der­te, Tau­sen­de und Mil­lio­nen Jah­re der Erd­ge­schich­te be­reit. In den welt­wei­ten Auf­zeich­nun­gen der ver­gan­ge­nen 500.000 Jah­re gibt es je­doch Un­ter­bre­chun­gen, vor al­lem wäh­rend Zei­ten, in de­nen das Kli­ma plötz­lich sehr in­sta­bil wur­de. IODP-Ex­pe­di­ti­on 389 „Ha­wai’i­an Drow­ned Reefs“ ( „Ver­sun­ke­ne ha­waii­ani­sche Rif­fe“) kon­zen­triert sich auf die­ses feh­len­de Glied. Wis­sen­schaft­li­che Fahrt­lei­ten­de sind Pro­fes­sor Chris­ti­na Ra­ve­lo (Oce­an Sci­en­ces De­part­ment an der Uni­ver­si­ty of Ca­li­for­nia, San­ta Cruz, USA) und Pro­fes­sor Jody Webs­ter (School of Geo­sci­en­ces), der Uni­ver­si­ty of Syd­ney, Aus­tra­li­en).

Prof. Chris­ti­na Ra­ve­lo: „Die fos­si­len Rif­fe von Hawai’i sind Ge­schich­ten­er­zäh­ler der ver­gan­ge­nen Kli­ma- und Oze­an­ver­än­de­run­gen und der Re­ak­tio­nen des Riff­öko­sys­tems auf die­se Ver­än­de­run­gen. Wir möch­ten die­se Ge­schich­ten durch sorg­fäl­ti­ge Un­ter­su­chung der Fos­si­li­en, die wir zu ber­gen hof­fen, auf­de­cken und tei­len.“

Prof. Jody Webs­ter: „Wir hof­fen, dass die in den fos­si­len Rif­fen auf­ge­zeich­ne­ten In­for­ma­tio­nen den Wis­sen­schaft­lern hel­fen wer­den, bes­se­re Vor­her­sa­gen über Ge­schwin­dig­keit und Aus­maß des Mee­res­spie­gel­an­stiegs zu tref­fen, wel­che Aus­wir­kun­gen die glo­ba­le Er­wär­mung und Ab­küh­lung auf kurz­fris­ti­ge Kli­ma­phä­no­me­ne wie Dür­ren, Über­schwem­mun­gen und ma­ri­ne Hit­ze­wel­len hat, und wie Ko­ral­len­riff-Öko­sys­te­me auf die­se Ver­än­de­run­gen re­agie­ren.“

Dr. Tho­mas Fe­lis, Lei­ter der Ar­beits­grup­pe Ko­ral­len-Pa­läo­kli­ma­to­lo­gie am MARUM – Zen­trum für Ma­ri­ne Um­welt­wis­sen­schaf­ten der Uni­ver­si­tät Bre­men, ist Mit­glied des Ex­pe­di­ti­ons­teams. „Nach frü­he­ren Ko­ral­len­riff-Bohr­ex­pe­di­tio­nen zum Gre­at Bar­ri­er Reef und nach Ta­hi­ti, an de­nen ich be­tei­ligt war, bie­tet sich nun in Hawai’i die ein­ma­li­ge Ge­le­gen­heit, noch viel wei­ter in die Ver­gan­gen­heit zu­rück­zu­ge­hen, hof­fent­lich bis zu ei­ner hal­ben Mil­li­on Jah­re“, sagt Tho­mas Fe­lis. Er ko­or­di­niert auch das DFG-Schwer­punkt­pro­gramm „Tro­pi­sche Kli­ma­va­ria­bi­li­tät & Ko­ral­len­rif­fe“ (SPP 2299), ein deutsch­land­wei­tes Ver­bund­pro­jekt, das ein bes­se­res Ver­ständ­nis der Kli­ma­va­ria­bi­li­tät in den tro­pi­schen Ozea­nen und ih­rer Aus­wir­kun­gen auf das Öko­sys­tem der Ko­ral­len­rif­fe in ei­ner sich er­wär­men­den Welt zum Ziel hat. „Ich freue mich sehr, dass vier For­schen­de aus un­se­rem Pro­gramm ein­ge­la­den wur­den, zur IODP-Ex­pe­di­ti­on 389 nach Hawai’i bei­zu­tra­gen“, so Fe­lis.

Ziel der Ex­pe­di­ti­on ist es, Bohr­ker­ne aus Was­ser­tie­fen zwi­schen 134 und 1.155 Me­tern an zwan­zig Stel­len zu ber­gen. Auch wenn dies das ers­te Mal ist, dass in die­sem Ge­biet ein Oze­an­bo­den­bohr­ge­rät ein­ge­setzt wird, sind die ge­plan­ten Lo­ka­tio­nen gut un­ter­sucht. „Wir ha­ben eine sehr gute Vor­stel­lung da­von, wie der Mee­res­bo­den vor der Küs­te von Hawai’iaus­sieht, Wis­sen­schaft­ler:in­nen ha­ben in den letz­ten vier Jahr­zehn­ten mit Tauch­boo­ten und fern­ge­steu­er­ten Tauch­ro­bo­tern um­fang­rei­chen Kar­tie­run­gen mit Un­ter­was­ser­so­na­ren so­wie Film­ma­te­ri­al und Ober­flä­chen­pro­ben ge­sam­melt“, sagt Jody Webs­ter. „Die­se In­for­ma­tio­nen ha­ben uns ge­hol­fen, die bes­ten Lo­ka­tio­nen für die sorg­fäl­ti­ge Ge­win­nung der Ker­ne aus­zu­wäh­len, die un­ser Ver­ständ­nis der Ge­schich­te des Riff­sys­tems er­heb­lich ver­tie­fen wer­den“, fügt Chris­ti­na Ra­ve­lo hin­zu.

Die Uni­ver­si­tät von Hawai’i ist eine Part­ner­in­sti­tu­ti­on die­ser Ex­pe­di­ti­on und ver­fügt über eine lan­ge Tra­di­ti­on in der Wis­sen­schaft in den Be­rei­chen Ko­ral­len­rif­fe, Küs­ten­phä­no­me­ne und Küs­ten­geo­lo­gie. Ha­wai’ia­ni­sche Wis­sen­schaft­ler ha­ben den An­stieg des Mee­res­spie­gels und sei­ne Aus­wir­kun­gen un­ter­sucht und her­vor­ge­ho­ben, wie wich­tig die­ses Wis­sen für das For­mu­lie­ren ei­ner Stra­te­gie zur Ein­däm­mung des Kli­ma­wan­dels und zur Stär­kung der Resi­li­enz in der Zu­kunft ist. Prof. Ken­na Ru­bin, an­or­ga­ni­sche Geo­che­mi­ke­rin an der Uni­ver­si­ty of Ha­wai’i at Ma­noa, De­part­ment of Earth Sci­en­ces, war von An­fang an an der Pla­nung der Ex­pe­di­ti­on be­tei­ligt und wird eine wich­ti­ge Teil­neh­me­rin sein.

Prof. Ken­na Ru­bin: „Die de­tail­lier­ten, hoch­auf­lö­sen­den zeit­li­chen und zu­sam­men­ge­setz­ten Ab­fol­gen, die wir von die­ser Ex­pe­di­ti­on er­war­ten, wer­den un­ser Wis­sen über die Re­ak­tio­nen auf den Kli­ma­wan­del er­heb­lich er­wei­tern und For­schen­den hel­fen, die vul­ka­ni­sche Ab­sen­kungs­ge­schich­te von ‚Big Is­land‘ bes­ser zu ver­ste­hen.“ Die Aus­wir­kun­gen die­ser For­schung in Hawai’i wer­den zu be­ste­hen­den Stu­di­en über Mee­res­spie­gel­ver­än­de­run­gen bei­tra­gen, wie sie hier von Ko­ral­len­rif­fen auf­ge­zeich­net wer­den.“

Die wis­sen­schaft­li­chen Zie­le der Ex­pe­di­ti­on zie­len dar­auf ab, Fra­gen zu vier Haupt­the­men zu be­ant­wor­ten:

• Das Ausmaß der Meeresspiegelveränderung in den letzten halben Million Jahren zu messen
• Warum sich Meeresspiegel und Klima im Laufe der Zeit ändern zu untersuchen
• Wie Korallenriffe auf abrupte Meeresspiegel- und Klimaveränderungen reagieren zu erforschen, und
• Die wissenschaftlichen Erkenntnisse über Wachstum und Absenkung von Hawai’i im Laufe der Zeit zu verbessern.

Die Pla­nungs­pha­se der Ex­pe­di­ti­on um­fass­te in­ten­si­ve Um­welt­be­ob­ach­tun­gen und eine um­fas­sen­de Ri­si­ko­be­wer­tung.

Um das Ma­te­ri­al, das die Wis­sen­schaft­ler:in­nen für ihre Ana­ly­sen in den kom­men­den Jah­ren nut­zen wer­den, zu ge­win­nen, wird wäh­rend der Ex­pe­di­ti­on auf dem Mehr­zweck­schiff MMA VA­LOUR ein Mee­res­bo­den­bohr­ge­rät ein­ge­setzt. Das Mee­res­bo­den­bohr­ge­rät wird von ei­nem re­nom­mier­ten Spe­zia­lis­ten der Geo­tech­nik­in­dus­trie be­reit­ge­stellt und be­trie­ben. Es wird auf den Mee­res­bo­den ab­ge­senkt, um bis zu 110 Me­ter lan­ge Bohr­ker­ne aus dem Oze­an­bo­den zu ber­gen.

Die MMA VA­LOUR ist ein viel­sei­ti­ges Mehr­zweck-Ver­sor­gungs­schiff, das MMA Off­shore ge­hört und von MMA Off­shore be­trie­ben wird, ei­nem welt­weit füh­ren­den An­bie­ter von See- und Un­ter­was­ser­dienst­leis­tun­gen. MMA mit Haupt­sitz in Perth, Aus­tra­li­en, en­ga­giert sich für den Schutz der Mee­resöko­sys­te­me der Welt und die Un­ter­stüt­zung wich­ti­ger wis­sen­schaft­li­cher For­schung in die­sem Be­reich.

An der Ex­pe­di­ti­on wer­den 29 Wis­sen­schaft­ler:in­nen aus Aus­tra­li­en, Öster­reich, Chi­na, Dä­ne­mark, Frank­reich, Deutsch­land, In­di­en, Ja­pan, den Nie­der­lan­den, Groß­bri­tan­ni­en und den Ver­ei­nig­ten Staa­ten von Ame­ri­ka teil­neh­men. Zehn von ih­nen wer­den an Bord der MMA VA­LOUR sein und am 31. Au­gust den Ha­fen von Ho­no­lu­lu ver­las­sen. Die Off­shore-Pha­se der Ex­pe­di­ti­on en­det am 31. Ok­to­ber. Alle Mit­glie­der der Wis­sen­schafts­grup­pe wer­den sich zur Ons­hore-Pha­se im Bre­mer IODP Bohr­kern­la­ger (BCR) am MARUM – Zen­trum für Ma­ri­ne Um­welt­wis­sen­schaf­ten der Uni­ver­si­tät Bre­men (Deutsch­land) tref­fen um die Ker­ne zu öff­nen, zu ana­ly­sie­ren, zu be­pro­ben und die im Fe­bru­ar 2024 ge­sam­mel­ten Da­ten aus­zu­wer­ten. „Das Tref­fen im Fe­bru­ar in Bre­men bie­tet die Mög­lich­keit, dass alle Wis­sen­schaft­ler:in­nen der in­ter­na­tio­na­len und in­ter­dis­zi­pli­nä­ren Ex­pe­di­ti­on erst­ma­lig zu­sam­men kom­men und Kol­la­bo­ra­tio­nen in­ten­si­viert oder so­gar erst in­iti­iert wer­den“, sagt Dr. Ur­su­la Röhl, Wis­sen­schaft­le­rin am MARUM und Lei­te­rin des Bre­mer Bohr­kern­la­gers. „Im Mo­ment ist ein Teil des Bre­mer Kern­la­ger-Teams mit an Bord, um die Bohr­ker­ne und Pro­ben­ma­te­ri­al fach­ge­recht zu ku­ra­tie­ren und ers­te Mes­sun­gen zu be­glei­ten“, fügt sie wei­ter hin­zu.

Die Ker­ne wer­den ar­chi­viert und der wis­sen­schaft­li­chen Ge­mein­schaft nach ei­ner ein­jäh­ri­gen Mo­ra­to­ri­ums-Pe­ri­ode nach der Ons­hore-Pha­se der Ex­pe­di­ti­on für wei­te­re wis­sen­schaft­li­che For­schun­gen zu­gäng­lich ge­macht. Alle Ex­pe­di­ti­ons­da­ten wer­den öf­fent­lich zu­gäng­lich sein und die dar­aus re­sul­tie­ren­den Er­geb­nis­se wer­den ver­öf­fent­licht.

Die Ex­pe­di­ti­on wird vom Eu­ro­pean Con­sor­ti­um for Oce­an Re­se­arch Dril­ling (ECORD) im Rah­men des In­ter­na­tio­nal Oce­an Dis­co­very Pro­gram (IODP) durch­ge­führt. IODP ist ein öf­fent­lich fi­nan­zier­tes in­ter­na­tio­na­les Mee­res­for­schungs­pro­gramm, das von 21 Län­dern un­ter­stützt wird und die in Se­di­men­ten und Ge­stei­nen des Mee­res­bo­dens auf­ge­zeich­ne­te Erd­ge­schich­te und -dy­na­mik er­forscht und die Um­ge­bun­gen un­ter dem Mee­res­bo­den über­wacht. Über meh­re­re Platt­for­men – eine ein­zig­ar­ti­ge Funk­ti­on von IODP – un­ter­su­chen Wis­sen­schaft­ler:in­nen die tie­fe Bio­sphä­re und den Oze­an un­ter dem Mee­res­bo­den, Um­welt­ver­än­de­run­gen, Pro­zes­se und Aus­wir­kun­gen so­wie Zy­klen und Dy­na­mik der fes­ten Erde.

Der ECORD Sci­ence Ope­ra­tor ver­fügt über gro­ße Er­fah­rung in der Ar­beit mit sen­si­blen Öko­sys­te­men wie Ko­ral­len­rif­fen, nach­dem See-Ex­pe­di­tio­nen be­reits zum Gre­at Bar­ri­er Reef (Aus­tra­li­en, 2010) und nach Ta­hi­ti (2005) durch­ge­führt wur­den.

Diese Pressemitteilung findet ihr beim MARUM.

Besonders gefährdet sind die artenreichen Riffökosysteme durch Extremwetterereignisse wie Zyklone und Hitzewellen, die aufgrund der Klimakrise immer häufiger und mit größerer Intensität auftreten.

Im Jahr 2022 hat sich DEEPWAVE für sein Filmfestival in Bremen mit dem 15. Internationalen Korallenriff-Symposium (ICRS), der größten Konferenz für Korallenforscher:innen zusammengetan und das Filmfestival „Saving Corals“ auf die Beine gestellt.

© Matt Wilson/Jay Clark, NOAA NMFS AFSC / Wikimedia Commons (PD)

Pressemitteilung, 28.08.2023, Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

Neue Studie zeigt: Klimawandel verändert saisonale Vertikalwanderung von Zooplankton in der Arktis

[28. August 2023] Sonnenlicht kann wegen der zunehmenden Meereisschmelze in der Arktis immer tiefer in den Ozean eindringen. Weil sich das Zooplankton im Meer an den Lichtverhältnissen orientiert, verändert sich dadurch auch sein Verhalten – vor allem dabei der Auf- und Abstieg der winzigen Tiere innerhalb der Wassersäule. Wie ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Alfred-Wegener-Instituts nun zeigt, könnte dies in Zukunft zu häufigeren Hungerphasen beim Zooplankton und zu negativen Effekten bis hin zu Robben und Walen führen. Die Studie ist im Fachmagazin Nature Climate Change erschienen.

Ausdehnung und Dicke des Meereises in der Arktis schwinden in Folge des menschengemachten Klimawandels deutlich. So schrumpft die durchschnittliche Fläche des Eises derzeit um etwa 13 Prozent pro Dekade. Schon 2030 – so zeigen es aktuelle Studien und Modellrechnungen – könnte der Nordpol im Sommer erstmals eisfrei sein. Die physikalischen Umweltbedingungen für das Leben im Nordpolarmeer ändern sich dadurch ebenso deutlich. Das Sonnenlicht etwa kann bei schrumpfender und dünnerer Eisdecke viel tiefer in das Wasser des Ozeans eindringen. In der Folge kann etwa die Primärproduktion – also das Wachstum – von Mikroalgen in Wasser und Eis unter bestimmten Bedingungen stark ansteigen. Wie sich die veränderten Lichtbedingungen auf höhere trophische Ebenen der Nahrungskette – wie beispielsweise das sich unter anderem von Mikroalgen ernährende Zooplankton – auswirken, ist bislang noch nicht gut verstanden. Ein internationales Forschungsteam um Dr. Hauke Flores vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) hat nun einen wichtigen wissenschaftlichen Baustein für ein besseres Verständnis geliefert.

„In den Ozeanen findet jeden Tag die gewaltigste synchrone Massenbewegung von Organismen auf dem Planeten statt“, sagt Hauke Flores. „Und das ist die tägliche Wanderung des Zooplanktons, zu dem etwa die winzigen Copepoden, auch bekannt als Ruderfußkrebse, und der Krill zählen. Nachts kommt das Zooplankton nah an die Wasseroberfläche, um zu fressen. Tagsüber wandert es wieder in die Tiefe, um sich vor Fressfeinden zu schützen. Einzelne Organismen des Zooplanktons sind zwar winzig, in der Summe aber ergibt sich so eine enorme tägliche Vertikalbewegung von Biomasse in der Wassersäule. In den Polargebieten sieht diese vertikale Wanderung allerdings anders aus. Sie ist hier saisonal, das heißt, dass das Zooplankton einem jahreszeitlichen Zyklus folgt. In der monatelangen Helligkeit des Polartags im Sommer bleibt das Zooplankton dauerhaft in größeren Tiefen, in der monatelangen Dunkelheit der Polarnacht im Winter kommt ein Teil des Zooplanktons dann dauerhaft in das oberflächennahe Wasser direkt unter dem Eis.“

Ganz wesentlich bestimmt werden sowohl die tägliche Wanderung in niedrigen Breiten als auch die saisonale Wanderung in den Polargebieten vom Sonnenlicht. Die winzigen Tiere mögen es meist dämmrig. Sie bleiben gern unterhalb einer bestimmten Lichtintensität (kritisches Isolumen), die meist sehr niedrig ist und weit im dunklen Dämmerlichtbereich liegt. Wenn sich im Laufe des Tages oder der Jahreszeiten die Sonnenlichtintensität ändert, folgt das Zooplankton dem Isolumen, was letztlich dann zum Auf- und Absteigen in der Wassersäule führt. „Speziell im Bereich der oberen 20 Meter Wassersäule direkt unter dem Meereis fehlten bislang Daten zum Zooplankton“, erläutert Hauke Flores. „Genau dieser schwer für Messungen erreichbare Bereich ist aber der spannendste, weil genau hier im und unter dem Eis die Mikroalgen wachsen, von denen sich das Zooplankton ernährt.“ Um hier zu messen, konstruierte das Team ein autonomes biophysikalisches Messobservatorium, das sie am Ende der MOSAiC-Expedition des AWI-Forschungseisbrechers Polarstern im September 2020 unter dem Eis verankerten. Das Gerät konnte hier – fernab jeder Lichtverschmutzung durch menschliche Aktivitäten – kontinuierlich die Lichtintensität unter dem Eis und die Bewegungen des Zooplanktons messen.

„Im Ergebnis konnten wir ein sehr niedriges kritisches Isolumen für das Zooplankton von 0,00024 Watt/Quadratmeter bestimmen“, sagt der AWI-Forscher. „Diesen Wert haben wir dann in unsere Computermodelle integriert, die das Meereissystem simulieren. So haben wir dann für verschiedene Klimaszenarien berechnet, wie sich die Tiefe dieses Isolumens bis zur Mitte dieses Jahrhunderts verändert, wenn das Meereis in Folge des fortschreitenden Klimawandels immer dünner wird.“ Dabei zeigte sich, dass das kritische Isolumen wegen der immer weiter abnehmenden Eisdicke immer früher im Jahr in größere Tiefen absinkt und immer später im Jahr wieder die Oberflächenschicht erreicht. Da das Zooplankton grundsätzlich unterhalb des kritischen Isolumens bleibt, wird es dieser Bewegung folgen. Deshalb hält es sich in den Zukunftsszenarien immer länger in größeren Tiefen auf und seine Zeit im Winter unter dem Eis wird immer kürzer.

„Künftig wird sich in einem wärmeren Klima das Eis im Herbst später bilden, was zu einer geringeren Eisalgenproduktion führt“, erklärt Hauke Flores. „In Kombination mit dem späteren Aufstieg kann das beim Zooplankton im Winter häufiger zu Nahrungsmangel führen. Im Gegenzug kann ein früherer Abstieg des Zooplanktons im Frühjahr eine Gefährdung für tiefer lebende Jungstadien von ökologisch wichtigen Zooplanktonarten bewirken, die dann vermehrt von den ausgewachsenen Tieren gefressen werden könnten.“

„Insgesamt zeigt unsere Studie einen bisher nicht beachteten Mechanismus auf, über den sich die Überlebenschancen des Zooplanktons in der Arktis in naher Zukunft weiter verschlechtern könnten“, sagt der AWI-Forscher. „Dies hätte fatale Auswirkungen auf das ganze Ökosystem bis hin zu Robben, Walen und Eisbären. Unsere Modellsimulationen zeigen aber auch, dass sich die Vertikalwanderung bei Einhaltung des 1,5 Grad-Ziels wesentlich weniger verschiebt als bei einem ungebremsten Fortschreiten der Treibhausgasemissionen. Deswegen ist für das arktische Ökosystem jedes Zehntel Grad weniger menschengemachte Erwärmung von entscheidender Bedeutung.“

Diese Pressemitteilung findet ihr beim Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung.

Die Originalpublikation „Sea-ice decline makes zooplankton stay deeper for longer“ findet ihr bei Nature Climate Change.

Die Umweltveränderungen durch die Klimakrise bedrohen das arktische Ökosystem auf vielen verschiedenen, zusammenhängenden Ebenen. Diese werden gerade auf der Polarstern-Expedition ArcWatch 1 untersucht. Auch die Polardorschbestände werden durch den Rückgang der Meereisbedeckung erheblich negativ beeinflusst.

© Alfred-Wegener-Institut / Mario Hoppmann (CC-BY 4.0)

Pressemitteilung, 01.08.2023, Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

AWI-Direktorin Antje Boetius leitet Polarstern-Expedition in die Zentralarktis

[01. August 2023] Am Donnerstag, den 3. August 2023 soll das Forschungsschiff Polarstern vom norwegischen Tromsø aus in Richtung Nordpol starten. Zwei Monate lang werden gut fünfzig wissenschaftliche Expeditionsteilnehmende die Arktis im Wandel erforschen, während die Meereisausdehnung im September ihr jährliches Minimum erreichen wird. Sie erkunden die Biologie, Chemie und Physik des Meereises sowie die Auswirkungen des Meereis-Rückgangs auf das gesamte Ozeansystem von der Oberfläche bis in die Tiefsee. Vor elf Jahren war Antje Boetius beim bisher größten Meereisminumum der Arktis und seinen Folgen für das Leben in der Tiefsee dabei. Jetzt kehrt sie mit ihrem Team zurück, um den heutigen Zustand der Arktis zu vergleichen – auch mit den Daten der MOSAiC-Expedition 2019/20.

„Ich bin sehr gespannt darauf zu sehen, wie sich das Meereis und das Leben im Ozean in der letzten Dekade verändert haben“, sagt Antje Boetius. „Im Jahr 2012 waren wir während der bisher geringsten dokumentierten sommerlichen Meereisausdehnung vor Ort und konnten erhebliche Auswirkungen auf das gesamte Ökosystem des zentralen Arktischen Ozeans feststellen, bis in über vier Kilometer Wassertiefe“, erläutert die Direktorin des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI). „Aktuell beobachte ich die Meereissituation auf www.meereisportal.de besonders intensiv. Noch wissen wir nicht, ob ein neues Minimum erreicht wird, angesichts des global heißen Jahres 2023 und während in der Antarktis das Meereis ein Rekordtief zeigt.

Der Leiter des Team Meereisphysik und MOSAiC-Experte Dr. Marcel Nicolaus berichtet: „Das Eis erstreckt sich zurzeit mit knapp 7,5 Millionen Quadratkilometern über eine ähnliche Fläche wie in den beiden vergangenen Jahren. Damit gibt es noch etwa eine Million Quadratkilometer mehr Eis als im Jahr 2012. Die sommerliche Schmelze ist aber in vollem Gange, und vor allem der Wind wird in den kommenden Wochen bestimmen, wie sich das poröse, brüchige Eis weiter verteilt.“

Wie sich die Beschaffenheit des Meereises verändert, untersucht das Expeditionsteam vor Ort detailliert: Mit Helikopter-geschleppten Sensoren wird die Dicke des Eises vermessen, Eisbohrkerne erlauben die Analyse der Meereisbeschaffenheit sowie die Untersuchung im Eis lebender Algen. Ein Unterwasserroboter misst, wie viel Licht durch das Eis in den Ozean gelangt, wenn seine Oberfläche noch von Schnee oder bereits von Schmelzwassertümpeln bedeckt ist. Das Licht steht Kleinstalgen (Phytoplankton) als Energiequelle für die Photosynthese zur Verfügung, die in den oberen Wasserschichten leben. Was mit dem von ihnen gebundenen Kohlenstoff weiter passiert, wird (mikro-)biologisch, chemisch und physikalisch von der Wasseroberfläche bis in den Tiefseeboden erforscht. Die Planktologen an Bord wollen den Weg des Lebens direkt unter dem Eis bis in die Tiefsee verfolgen, dazu bringen sie verschiedene Kamerasysteme aus sowie autonome Probennehmer.

Für diese Arbeiten sind mehrere sogenannte Eisstationen geplant: „Das Schiff legt an eine Scholle an, dann gehen die Eisforscher auf die Scholle, wir setzen verschiedene Roboter und Freifallgeräte aus und parallel schauen wir mit den Zoologinnen die Lebewesen am Grund an, über 4000 Meter tiefer. So erkennen wir Zusammenhänge in allen Stockwerken des Ozeans vom Meereis bis zum Meeresboden“, erklärt Antje Boetius. Dabei kehrt das Team für vergleichende Untersuchungen in den gleichen Arbeitsgebieten wie im Jahr 2012 zurück: in die besonders produktive Eisrandzone und Regionen mit vielleicht noch immer mehrjähriger Eisbedeckung in der zentralen Arktis. Für die Arbeiten werden eine Reihe bewährter, aber auch neuer Technologien eingesetzt, beispielsweise Landersysteme, Tiefsee-Crawler und das am AWI entwickelte Ocean Floor Observation and Bathymetry System (OFOBS). Die Rückkehr erfolgt nach der sommerlichen Eisschmelze, wenn die herbstliche Meereisbildung beginnt.

Unter den Teilnehmenden ist auch ein Kamerateam der UFA Documentary GmbH, das die Expedition filmisch begleitet. Geplant ist die Ausstrahlung der in Kooperation mit dem NDR entstehenden Fernseh-Dokumentation für den Jahreswechsel in der ARD. Bereits während der Expedition können Interessierte im Hörfunkprogramm von Radio Bremen Eindrücke von Bord gewinnen und die Expedition natürlich auch in der Polarstern-App und auf den Social-Media-Kanälen des Alfred-Wegener-Instituts verfolgen. Planmäßig soll die Polarstern am 1. Oktober in ihren Heimathafen Bremerhaven zurückkehren.

Diese Pressemitteilung findet ihr beim Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung.

Am 03. August 2023 sind die Wissenschaftler:innen mit der Polarstern aufgebrochen. In dem digitalen Logbuch zur Expedition ArcWatch 1 könnt ihr die aktuelle Route mitverfolgen und bekommt jeden Tag spannende Einblicke in die wissenschaftlichen Arbeiten an und unter Deck – sowie auf und unter dem Eis.

Über die MOSAiC Expedition 2019/2020 – die größte Arktis-Mission aller Zeiten – könnt ihr hier einen Podcast anhören. Im Interview mit DEEPWAVE spricht Antje Boetius, Direktorin des AWI, über ihre Tauchfahrt in die Tiefsee und warum der Schutz der Meere uns alle etwas angeht.