Der biologische Ozeanograph Hugh Ducklow untersucht das marine Nahrungsnetz und wie es mit den physikalischen Eigenschaften der Ozeane interagiert. Ein Großteil seiner Arbeit erfolgt im Rahmen des US Long Term Ecological Research Program (LTER), in dessen Rahmen Forscher seit Jahrzehnten Trends in 28 Land- und Meeresregionen in den Vereinigten Staaten sowie an einigen anderen Standorten untersucht haben. Neben dem offenen Ozean umfassen die Studien Wüsten, Küsten, Flüsse, Wälder und Grasland. Während seiner Zeit am Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University leitete Ducklow von 2012 bis 2018 den LTER-Standort Palmer Station, die Basis für jährliche Kreuzfahrten durch 800 Kilometer eisiges Wasser vor der Antarktischen Halbinsel.
Anlässlich des 40-jährigen Jubiläums des LTER-Programms veröffentlichten Forscher gerade eine Reihe von Artikeln wie sich der Klimawandel auf ihre Standorte auswirkt. Ducklow führte die Abschnitt über Umgebungen auf offener See, die neben der Antarktis die Gewässer vor Alaska, Kalifornien und dem Nordosten der USA umfasst. Wir sprachen mit ihm über die Arbeit, seine und die Beobachtungen seiner Kollegen und Perspektiven für die Zukunft.
Warum sollten wir uns darum kümmern, was der Klimawandel mit den Ozeanen macht?
Abgesehen davon, dass Meeresfrüchte die wichtigste Proteinquelle für etwa 3 Milliarden Menschen darstellen, nimmt der Ozean eine große Menge an überschüssiger Wärme und vom Menschen erzeugtem Kohlendioxid auf. Rund 90 Prozent der seit der Industriellen Revolution durch den Treibhauseffekt produzierten überschüssigen Wärme befinden sich im Ozean. Der globale Ozean hat auch etwa ein Viertel bis ein Drittel unserer Kohlendioxidemissionen aufgenommen. Beide Prozesse halten die Lufttemperaturen kühler als sie sonst wären. Aber beides ist mit Kosten verbunden. Der Ozean erwärmt sich durch zusätzliche Wärme. Das vom Menschen verursachte Erwärmungssignal ist sogar im tiefen Südlichen Ozean nachweisbar. Erhöhte Kohlendioxidaufnahme verursacht Ozeanversauerung. Die ökologischen Folgen von Erwärmung und Versauerung beginnen gerade erst verstanden zu werden, und die zukünftige Fähigkeit, weiterhin Wärme und CO2 zu speichern, ist ungewiss.
Was sind einige der physikalischen Auswirkungen des Klimas auf das Meerwasser, und wo sehen wir sie am stärksten?
Wie ich schon sagte, die Ozeane erwärmen sich, aber die Erwärmung und ihre Auswirkungen sind räumlich und zeitlich nicht einheitlich. Die Reaktionen des physikalischen Systems auf den Klimawandel sind direkt an der Oberfläche am stärksten und am deutlichsten. Das ist wichtig, weil dort Wärme und CO2 ausgetauscht werden und weil dort Phytoplankton wächst. Je nach Wind, Stürmen und Strömungen variiert die Tiefe der Oberflächenschicht von nahezu null im Sommer bis über 1.000 Meter im Winter. Die Temperatur beeinflusst die Tiefe der Oberflächenschicht, und im Fall von Polargebieten auch das Meereis. In der Nähe der Pole gibt es im Winter wenig oder gar keine Sonneneinstrahlung, und Meereis bedeckt den Ozean. Im Frühling, wenn die Sonne aufgeht, erwärmt sich die Ozeanoberfläche und das Meereis schmilzt, wodurch Süßwasser an die Oberfläche gelangt. Wärmeres, frischeres Wasser ist weniger dicht als kühleres, salzigeres Wasser, und daher wird die Oberflächenschicht seicht.
Die Tiefe der Mischschicht an der Oberfläche wird an den meisten Standorten im LTER-Netzwerk flacher – in der Palmer-Antarktis, auf dem nordöstlichen US-Festlandsockel und im nördlichen Golf von Alaska. Trotz einer ununterbrochenen Aufzeichnung von Beobachtungen seit 1950 und einer Erwärmung der Wassertemperatur ist jedoch keine Veränderung im Kalifornischen Strom erkennbar.
Welche biologischen Veränderungen finden statt? Können wir sie eindeutig mit Klimatrends in Verbindung bringen?
Die Tiefe der Meeresoberflächenschicht steuert die Wachstumsrate des Phytoplanktons. Wenn die Oberflächenschicht flach ist, wird Phytoplankton im Sonnenlicht zurückgehalten, hat aber keinen Zugang zu Nährstoffen. Wenn die Oberflächenschicht tief ist, kann Phytoplankton auf Nährstoffe zugreifen, aber das Sonnenlicht ist schwach oder fehlt. Trends im Phytoplankton wurden an einigen, aber nicht allen LTER-Standorten dokumentiert. Phytoplankton ist der einzige Organismus, der per Satellit nachgewiesen werden kann, aber Trends in seiner Häufigkeit sind nicht so klar wie die physikalischen Veränderungen, die ich gerade beschrieben habe. Der Nachweis von Phytoplankton nimmt in der Antarktis zu, wie erwartet in einer flacher werdenden Oberflächenschicht, nimmt aber über dem nordöstlichen US-Festlandsockel trotz der Flachheit ab. An den anderen Standorten sind keine Änderungen erkennbar. Zooplankton zeigt zunehmende Trends in der Antarktis, wie von der Zunahme des Phytoplanktons erwartet. Sie nehmen auch im kalifornischen Stromsystem zu, obwohl Phytoplankton dies nicht tut.
Obwohl es lange Aufzeichnungen über Veränderungen im Kalifornischen Strom (70 Jahre), im nordöstlichen US-Schelf (40 Jahre) und in der Palmer-Antarktis (30 Jahre) gibt, ist es immer noch schwierig, mit Sicherheit zu sagen, dass sie durch den Klimawandel verursacht werden. Numerische Simulationen von Satellitenbildern deuten darauf hin, dass etwa 50 Jahre die Mindestzeit sind, die benötigt wird, um beobachtete Trends dem Klimawandel zuzuschreiben. Einige Änderungen können ein Jahrhundert oder länger dauern.
Gibt es in der Antarktis Dinge, die sie von den anderen Regionen unterscheiden?
Ein einfaches Unterscheidungsmerkmal der arktischen und antarktischen Meere ist, dass sie von Meereis bedeckt sind. Aber die Dauer und das Ausmaß der Eisbedeckung nehmen mit der Erwärmung der Polarozeane ab. Die Lebenszyklen arktischer und antarktischer Organismen wie Krill und Seevögel sind auf die saisonale Eisbedeckung abgestimmt und können gestört werden, wenn die Bedeckung abnimmt. Meereis blockiert das Sonnenlicht und beeinflusst den Zeitpunkt der Phytoplanktonblüte. Obwohl das Meereis an beiden Polen schnell abnimmt, sind die Auswirkungen ungewiss. Mit dem Rückgang des Meereises werden neue, ehemals eisbedeckte Gebiete für das Wachstum von Phytoplankton erschlossen, wodurch das polare Meeresökosystem erweitert wird. Aber wenn die Abdeckung verschwindet, wird ihr Süßwasserbeitrag abnehmen und die frische Schicht an der Meeresoberfläche verringern. Die Nettoauswirkung für das zukünftige Ökosystem ist nicht klar.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal der antarktischen Ökosysteme scheint die Vielfalt und das Tempo des ökologischen Wandels zu sein. Wir gehen davon aus, dass Klimavariabilität und -veränderung zuerst physikalische Eigenschaften beeinflussen und dann die physikalischen Veränderungen ökologische Reaktionen hervorrufen. Die ökologischen Reaktionen können in solche organisiert werden, die mit Phytoplankton an der Basis des Nahrungsnetzes beginnen, dh Reaktionen von unten nach oben; und diejenigen, die die Top-Raubtiere wie Pinguine betreffen, mit Änderungen, die sich durch das Nahrungsnetz oder Top-Down-Reaktionen ausbreiten. In der Antarktis sehen wir Veränderungen im Klima und in den physikalischen Systemen und im gesamten Nahrungsnetz, von Kieselalgen über Krill bis hin zu Pinguinen. Diese Prozesse treffen sich in der Mitte und konvergieren auf Krill.
Beobachten wir diese Orte lange genug, um eine gute Vorstellung davon zu bekommen, wohin die Reise in Zukunft gehen wird?
Wie lange es dauert, um zu wissen, wohin sich Ökosysteme bewegen, hängt davon ab, an welchen Veränderungen Sie interessiert sind. Es ist einfacher, physikalische Veränderungen zu beobachten und zu dokumentieren, weil das System nur aus Hitze, Salzgehalt, Strömungen und Vermischung besteht – und weil wir gute Instrumente dazu haben Präzisionsmessungen dieser Variablen vornehmen. Im Gegensatz dazu sind Dutzende bis Hunderte verschiedener Messungen erforderlich, um die Variabilität biologischer Reaktionen auf mehrere Arten zu charakterisieren, und nur wenige können aus der Ferne entnommen und gemessen werden. Mit ein paar wichtigen Ausnahmen hängt die Erkennung von Veränderungen für viele Gruppen von Organismen immer noch davon ab, dass einzelne Wissenschaftler und Studenten einfache, zeitaufwändige und mühsame visuelle Einzelzählungen durchführen. Diese Messungen werden langsam automatisiert. Drohnen, auf Schiffen montierte Akustikgeräte, tauchfähige digitale Videokameras und instrumentierte Ozeangleiter beginnen, umfassende Echtzeitansichten der Ozeane zu erstellen. Meereisbedeckung und Eisberge sind immer noch große Hindernisse dafür, Instrumente im Winter unbeaufsichtigt zu lassen, daher sind viele Messungen auf eisfreie Sommermonate beschränkt.
Was waren einige der Herausforderungen bei der Arbeit vor der Antarktis?
Es gibt die offensichtlichen Herausforderungen: Planung der Arbeit an einem abgelegenen Ort – die Reise dauert sieben Tage von Tür zu Tür pro Strecke – und die Vorwegnahme von allem, was Sie brauchen könnten. Es gibt Stürme, hohe See, Eisbedeckung. Im September 2001 blieben wir zwei Wochen im Eis stecken. Dann Fragen der Lieferkette, Personalrekrutierung und die Pflege einer qualitativ hochwertigen Zeitreihe von Beobachtungen und Messungen über Jahrzehnte. Die Vorbereitungsarbeiten für das nächste Jahr beginnen buchstäblich, bevor Sie dieses Jahr zum Schiff aufbrechen. Das Projekt ist nicht einfach die Zeitreihe, sondern lebendige, sich entwickelnde wissenschaftliche Forschung mit Irrwegen, Sackgassen und unerwarteten Entdeckungen. Trotz der Herausforderungen ist es ein schöner und spannender Arbeitsplatz.
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