Die Produktivität des Ozeans Plankton mittels Satelliten überwachen

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GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

Zahlreiche Satelliten blicken vom All aus auf die Erde. Sie können zum Beispiel große Meeresregionen in kurzer Zeit abscannen und auf die Aktivität von Phytoplankton untersuchen. Inwieweit sich Satellitendaten tatsächlich dazu eignen, die Nährstoff-Limitierung im Ozean zu erfassen, zeigt eine aktuelle Nature-Studie.

Die Grundlage des Lebens auf der Erde, sie liegt im Meer. Winzige marine Pflanzen – das Phytoplankton – tragen zur Kontrolle der Konzentrationen von Kohlendioxid (CO₂) in der Atmosphäre und damit zur Regulierung unseres Klimas bei. Um zu gedeihen, sind sie auf Sonnenlicht und Nährstoffe angewiesen. Hierzu zählen auch Elemente wie Eisen oder Stickstoff, die durch Strömungen und Auftrieb an die Meeresoberfläche gelangen können.

Um Nährstoffgrenzen für die Existenz des Phytoplanktons im Ozean zu verstehen, nutzen Wissenschaftler üblicherweise Experimente auf Schiffsexpeditionen. Diese erfassen jedoch stets nur einen winzigen Teil des Ozeans zu einem bestimmten Zeitpunkt. Daher testete ein internationales Team von Forschenden, ob sich auch spezielle Satellitenbilder eignen – womit innerhalb weniger Tage der gesamte Ozean abgedeckt ist.

Zu diesem Zweck untersuchten sie, ob die von Satelliten aufgezeichnete Fluoreszenz von Phytoplankton im äquatorialen Pazifik Informationen über die Nährstoffbegrenzung des Phytoplanktons liefert. Die dazu notwendigen Vergleichsbeobachtungen führte das Team auf dem deutschen Forschungsschiff „Sonne“ im Jahr 2019 durch. In der gewählten Ozeanregion variieren die Nährstoffverfügbarkeit und die Produktivität des Phytoplanktons aufgrund der Klimaschwankung des El Niño Southern Oscillation-Phänomens (ENSO) auf natürliche Weise. Nun sind die Daten ausgewertet und die abgeschlossene Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature publiziert.

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Plankton fluoresziert bei Wachstumslimitierung rot

„Obwohl Satelliten seit zwei Jahrzehnten Fluoreszenz messen, wissen wir noch nicht, wie wir diese richtig interpretieren können“, sagt Dr. Thomas Browning. Der Meeresbiologe und Chemiker am Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel ist koordinierender Autor der Nature-Publikation. Während der Expedition 2019 nutzten die Forschenden Experimente und Analysen von Phytoplankton-Proteinen, um nachzuvollziehen, welche Nährstoffe das Phytoplanktonwachstum limitieren.

Außerdem werteten sie Schwankungen in der Fluoreszenz des Phytoplanktons aus – vom Phytoplankton ausgestrahltes rotes Licht, das durch die Nährstoffe reguliert wird, welche das Wachstum begrenzen. Insbesondere produziert das Phytoplankton bei Eisenlimitierung Pigment-Protein-Komplexe, die stark fluoreszieren, während dies bei Stickstofflimitierung nicht der Fall ist.

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Eisen als wesentlicher Fluoreszenzfaktor

Darüber hinaus nahmen die Forschenden optische Messungen wie die der Modis-Satelliten der Nasa vor – jedoch mit Instrumenten, die an der Vorderseite des Schiffs angebracht waren und auf die Meeresoberfläche blickten. Diese Felddaten verglichen sie mit Satellitendaten, um historische Trends der Nährstoffbegrenzung im äquatorialen Pazifik seit Beginn der Satellitenbeobachtungen vor zwei Jahrzehnten zu bewerten.

„Wir fanden heraus, dass die Existenz des Phytoplanktons entweder durch Eisen oder durch Stickstoff limitiert ist, was zu sehr unterschiedlichen Eigenschaften in der Fluoreszenz des Phytoplanktons führt, die von Satelliten erfasst werden“, fasst Browning zusammen. „Wir fanden auch heraus, dass die Intensität der Eisenbegrenzung die Fluoreszenzsignale beeinflusst: Eine stärkere Eisenbegrenzung führte zu mehr Fluoreszenz.“ Die Fluoreszenz-Beobachtungen der Satelliten variierten in einer Weise, die dem Eisenangebot entsprach, das im Laufe der El-Niño-Zyklen aus tieferen Gewässern aufstieg.

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Satellitendaten mit Vor-Ort-Messungen abgleichen

Ein Vergleich dieser Beobachtungen mit Vorhersagen eines globalen biogeochemischen Modells ergab einen auffälligen Unterschied: Zwar waren die Veränderungen in der Eisenbegrenzung über mehrere Zyklen hinweg mit der ENSO-Dynamik kohärent. Doch das Modell überschätzte die Auswirkungen der Eisenbeschränkung im Phytoplankton im Gegensatz zu den Feldbeobachtungen um das Doppelte. Folglich können synoptische Beobachtungen der Nährstoffbegrenzung durch Satelliten der Schlüssel zur Validierung und Verbesserung solcher Modelle sein – und Vorhersagen künftiger Auswirkungen des Klimawandels auf die Ökosysteme im Ozean verbessern.

„Diese ersten Ergebnisse zeigen, wie Satellitenbeobachtungen uns helfen können, die Auswirkungen der Nährstoffbegrenzung auf das Phytoplankton und seine wichtige Rolle im globalen Ozean und in unserem Klimasystem zu bewerten“, betont Studienleiter Browning. „Unsere Studie konzentrierte sich jedoch auf den äquatorialen Pazifik. Im Rahmen des neuen ERC-Projekts ‚Ocean Glow‘ wollen wir dies für alle Regionen des Ozeans in viel robusterer Weise validieren.“

Originalpublikation: Browning, T.J., Saito, M.A., Garaba, S.P, Wang, X., Achterberg, E.P., Moore, M., Engel, A., Mcllvin, M.R., Moran, D., Voss, D., Zielinski, O., Tagliabue, A.: Persistent equatorial Pacific iron limitation under ENSO forcing, Nature (2023); DOI: 10.1038/s41586-023-06439-0

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