Die Arktis ist vom Klimawandel besonders betroffen; sie erwärmt sich viermal schneller als jeder andere Ort auf der Erde.
Der Arktische Ozean hat bereits enorme Veränderungen erlebt. Meereis, das einst das ganze Jahr über weite Teile des Ozeans bedeckte, ist heute saisonal bedingt und schmilzt während der Sommermonate von großen Flächen und verschwindet.
Das verbleibende Eis wird zum größten Teil dünner und die Schneehöhe nimmt nachweislich ab.
Die CryoSat-Mission der ESA war für die Verfolgung des schmelzenden Eises in der Arktis von entscheidender Bedeutung. Nach 14 Jahren im All verfügt sie über eine der längsten ununterbrochenen Aufzeichnungen der Dicke des Polareises überhaupt.
Dank der Forschung veröffentlicht In Geophysikalische Forschungsbriefekann es sein Leistungsspektrum um ein weiteres erweitern: die Messung der Lichtdurchdringung durch arktisches Meereis.
Beleuchtung des Arktischen Ozeans
Die schnelle Erwärmung der Arktis wirkt sich auf das marine Ökosystem aus – und zwar nicht nur auf Eisbären und Walrosse.
„Wenn Eis und Schnee dünner werden, dringt mehr Licht bis zum Boden des Meereises vor“, sagte Julienne Stroeve von der University of Manitoba und der University of Colorado. „Dieses veränderte Lichtregime hat das Potenzial, das gesamte marine Ökosystem zu beeinflussen, das mit Algen beginnt.“
Auf der Unterseite des Eises breitet sich jedes Jahr ein Algenrasen aus. Wie das Phytoplankton im offenen Wasser, das riesige Meeresflächen bedeckt, die man vom Weltraum aus erkennen kann, blühen die im Eis gebundenen Algen auf weiten Flächen und bilden ein komplexes Nahrungsnetz.
Wenn Algen blühen, weidet Zooplankton sie von unten ab und dient so als Nahrung für verschiedene Tiere, darunter auch Fische, die wiederum als Nahrung für Robben und schließlich für Eisbären dienen.
Wir müssen noch viel darüber lernen, welche Auswirkungen der Klimawandel auf dieses Ökosystem haben wird. Algen – die Primärproduzenten dieses Ökosystems – sind daher ein guter Ausgangspunkt.
Es war eine Herausforderung, dies aus dem Weltraum zu kartieren.
„Anders als im offenen Ozean können wir die Algen im Meereis vom Weltraum aus nicht sehen“, sagte Karley Campbell von der Universität Tromsø. „Was wir tun können, ist, zunächst die Lichtverfügbarkeit abzuschätzen. Licht, das von Eisalgen zur Herstellung organischer Verbindungen durch Photosynthese genutzt wird, ist ein wichtiger Faktor für die Meeresproduktion.“
„Wenn wir das Licht kartieren können, das die Algen erreicht, können wir uns ein Bild davon machen, wann und wie stark sie blühen könnten.“
Um das zu verstehen, muss man wissen, wie dick das Eis ist und wie viel Schnee darauf liegt. Dickeres Eis und dickerer Schnee bedeuten, dass weniger Licht die Algen unter dem Eis erreichen kann.
Und hier kommt CryoSat ins Spiel. Zusammen mit den Daten von Copernicus Sentinel-3 und NASA ICESat-2 haben Wissenschaftler die Dicke des arktischen Meereises während der 14-jährigen Lebensdauer von CryoSat in der Umlaufbahn geschätzt.
Der jährliche Beginn der Eisalgenblüte liegt zwischen 2011 und 2022. Die kombinierten Daten von CryoSat und Sentinel-3 beziehen sich nur auf die Jahre 2019 und 2020, Erweiterungen mit ICESat-2 sind rot umrandet. In den weißen Bereichen in Polnähe ist das Licht nicht ausreichend, um eine Blüte auszulösen. Bildnachweis: ESA (Daten: CryoSat/Copernicus Sentinel-3/ICESat-2)
Durch die Anwendung von Algorithmen zur Ermittlung der Lichtdurchlässigkeit von Eis und Schnee und durch die Verwendung von Modellen zur Vorhersage der historischen Schnee- und Eisbedeckung war es anschließend möglich, Modelle zu erstellen, wo und wann die Algenblüte beginnen könnte.
Daten aus den Jahren 2011 bis 2022 zeigten, dass es in südlicheren arktischen Regionen früher zu Algenblüten kommen würde, wobei die Algenblüten von Jahr zu Jahr unterschiedlich ausfielen. Schnee schien dabei ein wichtiger Faktor zu sein.
Das Modell deutete darauf hin, dass das besonders schneereiche Jahr 2017 zu einer höheren Schneedecke führte und so große Flächen aufgrund von Lichtmangel nicht blühen konnten.
Schmelzender Schnee bringt Blüten hervor
Da Schnee offenbar einen großen Einfluss hatte, untersuchten die Forscher, wie sich abnehmender Schnee auf Algenblüten ausgewirkt haben könnte. Seit den 1980er Jahren hat die Schneehöhe in den meisten Teilen der Arktis abgenommen.
Nach der Modellierung der Veränderungen der Schneetiefe von 1982 bis 2018 und der Kombination dieser Ergebnisse mit Schätzungen des durch das Eis eindringenden Lichts ergab sich ein klares Bild.
Das Modell deutet darauf hin, dass es in südlichen Regionen jedes Jahrzehnt bis zu 15 Tage früher zu Algenblüten kommt.
Viele weitere Faktoren spielen eine Rolle. Sediment- und Eisstruktur beeinflussen, wie viel Licht durch Schnee und Eis dringt. Andere Faktoren, die das Algenwachstum beeinflussen könnten, müssen ebenso berücksichtigt werden wie die Auswirkungen der erhöhten Lichtverfügbarkeit.
An Eis gebundene Algen sind von Natur aus Schattenbewohner. Wenn sie mehr Licht ausgesetzt sind, produzieren sie möglicherweise andere Zucker und Fette oder sterben zu unterschiedlichen Zeiten ab. All diese Aspekte müssen verstanden werden, um das Gesamtbild zu erhalten.
Doch die Möglichkeit, mithilfe von Satellitenmessungen ein umfassendes Bild der photosynthetisch aktiven Strahlung unter dem Eis zu zeichnen, ist ein äußerst nützliches Instrument zur Unterstützung anderer Methoden zur Überwachung des arktischen Ökosystems.
„Diese beispiellose Nutzung von Satellitendaten erweitert unser Wissen über das sich rasch verändernde Ökosystem der Arktis“, sagte Julienne. „Das Verständnis der photosynthetisch aktiven Strahlung, die das Meereis durchdringt, wird umfassendere Studien ermöglichen, um zu verstehen, was aufgrund des Klimawandels mit dem Leben im Arktischen Ozean geschieht.“
Da Schnee ein entscheidender Faktor dafür ist, wie viel Sonnenlicht ins Eis eindringt, dürfte die als Cryo2ice bekannte Zusammenarbeit zwischen CryoSat und ICESat-2 weitere Erkenntnisse liefern.
Die beiden Satelliten werden im Winter 2024 nahezu gleichzeitig über der Arktis ausgerichtet sein und die kombinierten Messungen werden uns unsere bisher beste Schätzung der Schneebedeckung über dem Eis liefern.
Durch die Zusammenarbeit des Radars von CryoSat und der Lidar-Instrumente von ICESat-2 erhalten wir einen Einblick in die Zukunft der Eisaltimetrie. Die Copernicus Polar Ice and Snow Topography Altimeter (CRISTAL)-Mission wird ein Zweifrequenzradar verwenden, um die Schneetiefe auf Meereis genau zu kartieren und die Satellitenaufzeichnung des Polareises bis weit in die 2030er Jahre fortzusetzen.
„Nach 14 Jahren ist es wunderbar zu sehen, dass CryoSat immer wieder neue Anwendungsmöglichkeiten findet“, sagt Tommaso Parrinello, Missionsleiter von CryoSat. „Die raschen Veränderungen in der Arktis werden weitreichende Folgen haben, die uns alle betreffen.“
Die Aufrechterhaltung langfristiger Satellitenaufzeichnungen ist von entscheidender Bedeutung, um sie zu verstehen und die Zukunft zu steuern. Ich bin gespannt auf die Auswirkungen der Cryo2ice-Zusammenarbeit in den kommenden Monaten und Jahren sowie auf die CRISTAL-Mission, die die Klimaaufzeichnungen über CryoSat hinaus aufrechterhalten wird.“
Mehr Informationen:
JC Stroeve et al, Kartierung des möglichen Zeitpunkts von Eisalgenblüten anhand von Satelliten, Geophysikalische Forschungsbriefe (2024). DOI: 10.1029/2023GL106486