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Mikronährstoffe in Seen unter antarktischem Eis Spuren(element)suche in der Antarktis

Von Josef Zens*

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Rund zehn Prozent der irdischen Landfläche ist von Eisschilden bedeckt. Dort sind nicht nur gewaltige Mengen an Süßwasser gebunden, sondern auch überraschend viele Mikronährstoffe, wie eine aktuelle Studie von Forschern des Helmholtz-Zentrum Potsdam zeigt. Demnach könnten Schmelzwasserströme aus dem antarktischen Eis als natürlicher Dünger für Phytoplankton dienen.

Forschende blicken auf die riesigen Flächen des „Leverett Glacier“, einem Auslass-Gletscher des grönländischen Eisschildes. Eisschilde bedecken zehn Prozent der globalen Landoberfläche. Sie sind nicht nur die extrem kalten und unwirtlichen Gegenden, als die sie auf den ersten Blick erscheinen. Die neu publizierten Ergebnisse deuten darauf hin, dass sie eine wichtigere Rolle für den globalen Elementzyklus spielen könnten als bisher angenommen.(Bild: Jon Hawkings, GFZ)
Forschende blicken auf die riesigen Flächen des „Leverett Glacier“, einem Auslass-Gletscher des grönländischen Eisschildes. Eisschilde bedecken zehn Prozent der globalen Landoberfläche. Sie sind nicht nur die extrem kalten und unwirtlichen Gegenden, als die sie auf den ersten Blick erscheinen. Die neu publizierten Ergebnisse deuten darauf hin, dass sie eine wichtigere Rolle für den globalen Elementzyklus spielen könnten als bisher angenommen.
(Bild: Jon Hawkings, GFZ)

Potsdam – Unter den Eisschilden der Erde bildet Schmelzwasser ein ausgedehntes verborgenes System von Rinnsalen, Flüssen und Seen. Mehr als 400 solcher subglazialer Seen wurden in den vergangenen vierzig Jahren in der Antarktis entdeckt, manche von den Ausmaßen der Großen Seen Nordamerikas. An der Grenze zwischen Eis, Wasser und Gestein wirkt ein komplexes Ensemble aus chemischen, physikalischen und mikrobiologischen Kräften, die Gestein zerbrechen und zermahlen. Dabei setzen sie auch Spurenelemente frei, die das Schmelzwasser stromabwärts transportiert. Diese chemischen Elemente sind essenziell als Nährstoffe für alle Lebewesen.

Wie und in welchen Mengen sie unter dem grönländischen und antarktischen Eis freigesetzt werden und schließlich in die angrenzenden Ökosysteme abfließen, und welche Rolle sie dort und für den globalen Kohlenstoffkreislauf spielen, ist bislang noch wenig untersucht. Denn Messkampagnen in diesen entlegenen Regionen der Erde sind logistisch wie technisch eine Herausforderung.

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200 mal mehr Eisen als erwartet

Nun hat Dr. Jonathan Hawkings vom Deutschen Geo-Forschungs-Zentrum (GFZ) und der Florida State University mit einem internationalen Team Proben aus einem See unter einer 100 Meter dicken Eisschicht genommen und analysiert. Dabei fanden die Forscher heraus, dass in den Schmelzwässern unterhalb der Eismassen bedeutende Mengen an Spurenelementen freigesetzt werden. Ihre Konzentrationen übertreffen die in Flüssen und dem offenen Ozean um ein Vielfaches. Beispielsweise sind in einem Liter Wasser aus dem Antarktischen See 1000 Mikrogramm Eisen gelöst, statt fünf Mikrogramm, wie man es bei verdünnter Eisschmelze erwarten würde.

„Lange Zeit hat man angenommen, dass Spurenelemente in den vereisten Regionen der Erde in so geringen Mengen vorkommen, dass sie für globale Kreisläufe kaum von Bedeutung sind“, sagt Hawkings. „Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass Eisschilde für die regionale Mobilisierung der Spurenelemente eine Schlüsselrolle spielen könnten, die im Zuge des Klimawandels weiter beobachtet und analysiert werden muss. Dafür haben wir jetzt die Grundlagen gelegt.“

Den Weg des Wassers zurückverfolgt

Die Konzentrationen der einzelnen Elemente, ebenso wie ihr Verhältnis und das Verhältnis zwischen gelösten und nanopartikulären Mineralien, verraten den Forschern auch etwas über die Ausgangsmaterialien, die Verwitterungsprozesse unter dem Eis und die Ursprünge des Wassers. So weiß man beispielsweise, dass das Element Vanadium hauptsächlich in Silikatgestein vorkommt und nicht in Carbonatgestein. Die gefundenen hohen Vanadium-Konzentrationen deuten also darauf hin, dass das Silikatgestein unter dem Eis in stärkerem Maße verwittert als zuvor angenommen. Ein wichtiger Aspekt dabei: Es benötigt hierfür CO2, dieser Prozess ist also eine Senke für das Klimagas.

Von Eisen ist wiederum bekannt, dass es in sauerstoffreicher Umgebung zu Rost oxidiert, der ausfällt. Große Mengen gelöstes Eisen sind demnach ein Hinweis, dass ein Teil des Wassers aus einer Region mit wenig Sauerstoff kommen könnte. In der Antarktis haben die Forscher zudem höhere Konzentrationen etwa von Aluminium, Eisen und Titan gefunden als in Grönland. Deshalb nehmen sie an, dass das Schmelzwasser im Südpolargebiet länger und in größerer hydrologischer Isolation unter dem Eis verweilt.

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Dünger aus den Tiefen des Eises

Besondere Relevanz haben die neuen Erkenntnisse für das Verständnis der Nährstoffkreisläufe im Südpolarmeer. Es gilt eigentlich als nährstoffreich – hinsichtlich Stickstoff und Phosphor –, ist jedoch in weiten Teilen arm an Eisen. Deshalb gedeiht Phytoplankton dort nur spärlich. Dieses „Gras“ des Ozeans ist aber ein Basiselement der globalen Nahrungspyramide und eine wichtige CO2-Senke.

Bei Beobachtungen in der Nähe des Antarktischen Eisschilds stellte man allerdings fest, dass dort statt einer Eisenlimitierung besonders große Mengen an Eisen vorkommen und folglich auch viel Phytoplankton. Das deutet darauf hin, dass die Eisdecke die Küstenregionen des Südlichen Ozeans auf natürliche Weise düngt, indem sie das Phytoplankton mit Eisen versorgt. In welchem Ausmaß und wie sich das möglicherweise im Zuge der Klimaerwärmung ändert, muss künftig untersucht werden.

Den Grenzen des Lebens auf der Spur

In der aktuellen Studie haben Hawkings und sein Team 17 verschiedene Elemente im Eiswasser untersucht. „Jedes erzählt uns eine eigene Geschichte und wir arbeiten wie Detektive, die versuchen, aus all den Daten ein stimmige Gesamterzählung zu machen“, sagt der Geowissenschaftler. „Wir interessieren uns dafür, die Grenzen des Lebens auf der Erde auszuloten, hinsichtlich der Verfügbarkeit von Energie und Nährstoffen. Und die aktuellen Ergebnisse helfen uns dabei.“

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Welche wichtige Bedeutung die großen Eismassen der Erde in den Nährstoffkreisläufen einnehmen, beginnen die Forscher erst allmählich zu verstehen. „Wir hoffen, dass unsere Forschung dabei hilft, künftig viele wichtige offene Fragen zu beantworten, die auch den Einfluss des Klimawandels betreffen: Wie werden sich diese biogeochemischen Kreisläufe verändern, wenn mehr Eis schmilzt? Setzt das immer mehr Spurenelemente frei oder werden diese Prozesse eher gebremst? Außerdem ist noch offen, was auf dem Weg in die Ozeane mit den Stoffen passiert und wie viel letztlich bei den Organismen im Meer ankommt“, führt Hawkings aus.

Probennahme 1000 Meter unter dem Eis

Um aus den Gewässern unter den grönländischen und antarktischen Eispanzern Proben zu sammeln und sie im Labor zu analysieren, hat Dr. Jonathan Hawkings vom Deutschen Geo-Forschungs-Zentrum (GFZ) und der Florida State University mit einem internationalen Team zusammengearbeitet. Seine Kollegen von der amerikanischen Montana State University haben dazu mehr als 1000 Meter tief in den antarktischen Eispanzer gebohrt. So konnten sie den neun Kilometer langen und 15 Meter tiefen „Mercer Subglacial Lake“ anzapfen. „Diese Seen sind Teil eines größeren hydrologischen Systems. Es gibt ein wissenschaftliches Interesse an diesem speziellen See, aber wir wollen auch sehen, was unter der Eisdecke entsteht und wie sich das mit den Küstenregionen verbindet“, sagt Prof. Mark Skidmore, einer der Expeditionsleiter.

Hawkings selbst hat mit Kollegen über einen Zeitraum von drei Sommer-Monaten Proben aus Untereis-Gewässern genommen, die unter dem Leverett Gletscher in Grönland entspringen. Analysiert wurden die Proben in ultra-reinen Laboren. Die Forscher haben die Schmelzwasser-Proben in mehreren Stufen gefiltert, um die Konzentrationen nach Partikelgrößen zu sortieren. Viele der Spurenelemente haben die Form von wenige Nanometer kleinen Mineralen. Die chemische Zusammensetzung der Partikel bestimmten die Forscher mit besonders sensiblen massenspektrometrischen Verfahren.

Originalpublikation: Hawkings, J. R., Skidmore, M. L., Wadham, J. L., Priscu, J. C., Morton, P. L., Hatton, J. E., Gardner, C. B., Kohler, T. J., Stibal, M., Bagshaw, E. A., Steigmeyer, A., Barker, J., Dore, J. E., Lyons, W. B., Tranter, M., Spencer, R. G. M.: Sources of particulate matter air pollution and its oxidative potential in Europe, Enhanced trace element mobilization by the Earth’s ice sheets, Proceedings of the National Academy of Sciences; DOI: 10.1073/pnas.2014378117

* J. Zens, Geoforschungszentrum Potsdam, 14473 Potsdam

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