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Schneeschmelze durch Algenblüte Kleine Eisbrecher: Wie Algen Grönlands Eisschild formen

Autor / Redakteur: Dr. Uta Deffke* / Christian Lüttmann

Wäre Schnee schwarz, würde er mehr Licht absorbieren und schneller schmelzen. Tatsächlich sorgt eine Verdunkelung von grönländischen Eisflächen dafür, dass dort die Schmelze beschleunigt ist. Schuld sind Algen, die das Eis verfärben. Die Ursachen für die „Dunkle Zone“ im Grönlandeis haben nun Forscher des GFZ genauer untersucht.

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Das Forschungscamp auf Grönland. Im Vorderdrund: das dunkle Eis
Das Forschungscamp auf Grönland. Im Vorderdrund: das dunkle Eis
(Bild: Jenine McCutcheon)

Potsdam – Der grönländische Eisschild bedeckt rund 80 Prozent dieser riesigen Insel und ist damit die zweitgrößte Land-Eismasse der Erde. Doch sein Eis ist nicht so weiß, wie man vielleicht denkt. An der Westküste lässt sich ein dreißig Kilometer breiter dunkler Streifen erkennen, die so genannte „Dark Zone“. Er enthält nicht nur Ruß und Mineralstaub, sondern auch Schnee- und Eisalgen. Letztere blühen in der Sommersaison und färben sich dunkel violett – mit fatalen Folgen für das Eis: Sie reduzieren den Albedo-Effekt, also die Reflexion des Sonnenlichts, und beschleunigen so die Oberflächenschmelze.

Die Prognosen sind besorgniserregend: Weil die arktischen Sommer wärmer und länger werden, nimmt die Algenblüte zu – sowohl räumlich wie zeitlich. Somit droht auch die Eisschmelze immer weiter beschleunigt zu werden. Das verfolgt ein internationales Team um Liane G. Benning vom Deutschen Geo-Forschungszentrum Potsdam GFZ seit einigen Jahren an verschiedenen Orten quer über den südwestlichen Rand des grönländischen Eisschilds.

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Die Rolle der Eisalgen

Die Forscher wollen genau verstehen, welche Faktoren das Wachstum der Eisalgen befördern und wie diese wiederum den Albedo-Effekt und damit die Eisschmelze beeinflussen. Ihren Untersuchungen zufolge sind die Algen ein überraschend wichtiger Faktor dabei – und das obwohl deren Biomasse nur etwa fünf Prozent der „dunklen Masse“ auf dem Eis ausmacht; die übrigen 95 Prozent sind Ruß und Mineralstaub.

Wie das Team bei Analysen vor Ort herausfand, sind die Eisalgen vor allem von Phosphorverbindungen als „Nahrung“ abhängig. Nur wenn die Forscher in ihren Experimenten zusätzlich Phosphor zur Verfügung stellten, war eine deutlich gesteigerte Photosyntheseleistung zu finden. „Das zeigt uns, dass Phosphor hier der limitierende Nährstoff ist“, sagt die Geomikrobiologin Jenine McCutcheon. „Je mehr davon zusätzlich im Angebot ist, desto stärker wachsen die Algen. Zusätzlicher Stickstoff bewirkt keine weitere Vermehrung.“

Woher der „Algendünger“ Phosphor kommt

Woher der mineralische Phosphor kommt, lässt sich aus der exakten chemischen Zusammensetzung des Mineralstaubs schließen. „Mineralstaub kann über Tausende Kilometer mit dem Wind eingetragen werden“, sagt der Atmosphärenforscher Jim McQuaid von der Uni Leeds, Mitautor der Studie.

Die Analysen ergaben allerdings, dass der Phosphor in diesem Fall von lokalen Gesteinen stammt und nicht etwa aus Asien oder Afrika. Das könnte sich aber in Zukunft ändern. „Da die Trockengebiete in den nördlichen Breiten durch den Klimawandel noch trockener werden, ist zu erwarten, dass mehr Staub transportiert und auf dem grönländischen Eisschild abgelagert wird, was die Algenblüte weiter anheizt“, gibt McQuaid zu bedenken.

Algenwachstum nach dem Schneeball-Prinzip

Insgesamt zeigt sich ein selbstverstärkender Effekt: Je stärker die Algenblüte, desto stärker die Schmelze. Das wiederum setzt mehr Nährstoff frei, der zuvor im Eis eingefroren war, was wiederum zu verstärkter Algenblüte führt. „Derzeit werden diese wichtigen Effekte weder bei der Modellierung von Eismassenverlusten noch bei der Klimamodellierung berücksichtigt“, bemängelt Studienleiterin Benning. „Unsere quantitativen Ergebnisse können das ändern. Sie werden dazu beitragen, vorherzusagen, wo künftig Algenblüten zu erwarten sind und in welchem Maße das die Schmelze beeinflusst.“

Die Eisalgen können bis zu 78 Prozent der bloßen Eisflächen in der Dunklen Zone bedecken. Allerdings haben die Forscher im Verlauf einer Saison und von Jahr zu Jahr große Schwankungen in der Intensität und Ausbreitung der Blüte beobachtet. Das macht eine genaue Vorhersage bis jetzt noch schwierig. Umso wichtiger sei es, weitere Einflussfaktoren genauer zu kennen, betont die Geochemikerin. „Wir brauchen ein besseres Verständnis der Algenblüte über das ganze Jahr hinweg“, sagt Benning. „Insbesondere ist es wichtig herauszufinden, wodurch das Algenwachstum nach dem ‚Winterschlaf‘ wieder in Gang gesetzt wird. Und wie die Algen auch das Eis und seine Struktur beeinflussen, weil das für den Albedo-Effekt ebenfalls eine wichtige Rolle spielt.“

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Methodik: Das C:N:P-Verhältnis als Vitalitätsindex für Eisalgen

Um zu verifizieren, dass Phosphor der limitierende Faktor der Eisalgen ist, und um eine natürliche Phosphor-Quelle zu finden, die den Algen zugänglich ist, haben Jenine McCutcheon und ihre Kollegen vom GFZ Schnee- und Eisproben gesammelt, geschmolzen, gefiltert, und das Filtrat getrocknet und analysiert. Wichtige Indikatoren sind die Elemente Kohlenstoff C, Stickstoff N und organischer Phosphor P(org). In ausgewogen ernährten Mikroorganismen stehen sie in einem bestimmten Verhältnis zueinander. Wie erwartet zeigten die ermittelten Daten hier: Je mehr mineralischer Phosphor als „Algen-Nahrung“ in den Proben enthalten war, desto näher lag das Mengenverhältnis C:N:P(org) am Idealwert.

Während die Ernährungsversuche vor Ort auf dem Eis gemacht wurden, fanden die meisten anderen Analysen in Spezial-Laboren der beteiligten Institutionen statt. Mittels Massenspektrometrie und Fließ-Injektions-Analyse wurden Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor in der Biomasse analysiert. Mit Röntgenbeugung kam man der Zusammensetzung der Mineralien auf die Spur. Darüber hinaus half Genomsequenzierung, die verschiedenen Mikroben-Arten in den Proben zu identifizieren.

Originalpublikation: Jenine McCutcheon, Stefanie Lutz, Christopher Williamson, Joseph M. Cook, Andrew J. Tedstone, Aubry Vanderstraeten, Siobhan A. Wilson, Anthony Stockdale, Steeve Bonneville, Alexandre M. Anesio, Marian L. Yallop, James B. McQuaid, Martyn Tranter & Liane G. Benning: Mineral phosphorus drives glacier algal blooms on the Greenland Ice Sheet, Nat Commun 12, 570 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-020-20627-w

* Dr. U. Deffke, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, 14473 Potsdam

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