"Algen-Brötchen" am Grund arktischer Schmelztümpel

Von Ilka Peeken, Biologin am Alfred-Wegener-Institut und MARUM (Zentrum für Marine Umweltwissenschaften)

Wenn man im Sommer über das Packeis der Arktis fliegt, sehen die Eisschollen eher wie ein Schweizer Käse aus, denn auf der Oberfläche der Schollen befinden sich sogenannte Schmelztümpel.

Diese Schmelztümpel nehmen einen Großteil der Eisschollen ein und können bizarre Formen annehmen.

Zur Bildung dieser Schmelztümpel kommt es mit dem Einsetzen der Schneeschmelze. Durch fortschreitendes Schmelzen von Schnee und anschließend auch der Meereisoberfläche werden diese Tümpel immer größer und auch tiefer. Weil die Tümpel dunkler sind als das immer noch fast weiße Meereis, absorbieren sie mehr Sonneneinstrahlung, so dass die Schmelze an diesen Stellen verstärkt wird. Bei einjährigem Meereis ist die Schmelztümpelbedeckung im Allgemeinen größer als bei mehrjährigem Meereis, da die Oberfläche ebener ist und sich das Wasser auf größere Flächen verteilt. Dagegen sind Schmelztümpel auf mehrjährigem Eis zumeist kleiner und tiefer und erscheinen türkis-blau (siehe Abb. 1). Zu Beginn bestehen die Schmelztümpel aus Süßwasser. Zum Teil können sie aber bis zu dem darunter liegenden Meerwassers durchschmelzen, bzw. durch das poröse Eis kann Salzwasser in die Schmelztümpel eindringen.

Solche Tümpel enthalten dann eine Mischung aus Meer- und Süßwasser. Die Schmelztümpel in der Arktis werden in Zukunft wohl immer stärker zunehmen, da der Anteil des mehrjährigen Eises sinkt und die Ausdehnung der Schmelztümpel auf den  einjährigen Eisschollen wesentlich größer ist als bei mehrjährigem Eis. Im dünneren einjährigen Eis können darüber hinaus die Schmelztümpel auch leichter durchschmelzen und somit zunehmend eine Besiedlung dieser Tümpel mit Meeresorganismen ermöglichen. 

Um nun Veränderungen im arktischen Ökosystem besser beurteilen zu können, haben wir ein besonderes Augenmerk auf die Untersuchungen der Schmelztümpel gelegt und dabei überraschende Erkenntnisse gewonnen. Auf unserer ersten Eisstation bei ca. 86° N fing es eigentlich recht harmlos  damit an, dass wir am Boden einiger Schmelztümpel Ansammlungen von Algen fanden.

Diese Aggregate bestanden aber nicht, wie wir erwartet hatten, aus verklumpten Eisalgen, sondern enthielten überwiegend Algen, die typisch für Meerwasser sind.

Salzgehaltsmessungen in den Tümpeln zeigten eine starke Schichtung des Wassers, wobei der obere Teil des Wassers aus Süßwasser bestand, während direkt über dem Boden dieser Tümpel Salzgehalte um die 20 Promille und höher bestimmt wurden. Diese Brackwassersalzgehalte begünstigen die Besiedlung mit Meeresorganismen. Da es im Vergleich zu der eisbedeckten Wassersäule in den Tümpeln hervorragende  Lichtbedingungen gibt, kommt es in dem salzreichen Wasser der Tümpel zu einen Algenblüte. Eine Beobachtung, die der Polarforscher Fridtjof Nansen bereits 1895 gemacht hat, als er mit dem Schiff Fram eine Eisdriftstudie zur Entdeckung des Nordpols in der gleichen Region durchgeführt hat. In seiner Veröffentlichung von 1906 skizziert er die Wachstumsbedingungen in den Schmelztümpeln und es ist "vom regen Wachstum der Algen" darin die Rede.

Später im Jahr fand Fridtjof Nansen, ähnlich wie wir, auch Algenansammlungen auf dem Grund der Schmelztümpel. Heutzutage wissen wir, dass diese Aggregatbildung bei Algen eine typische Reaktion am Ende einer Algenblüte ist, die z.B. durch Nährstoffmangel auftritt. Die Algen geben dann vermehrt gelösten organischen Kohlenstoff in Form von klebrigen Substanzen ab (s. Blog 18), die die Aggregatbildung fördern. Die so gebildeten Klumpen sinken dann viel schneller als die einzeln schwebenden Algen ab und könnten eine Erklärung für die Ansammlung der Algenaggregate auf dem Boden der Schmelztümpel sein. Auch wenn diese Algenansammlungen bereits von Nansen beschrieben wurden, waren wir überrascht, dass auf unseren verschiedenen Eisstationen in Richtung Nordpol diese Aggregate am Boden der Schmelztümpel immer größer wurden. Schließlich fanden wir Aggregate, die die Größe eines halben Brötchens erreichten und von uns mit dem Namen "Algenbrötchen" versehen wurden.

Das Auftreten dieser Brötchen war so prägnant, dass man sie vom fahrenden Schiff von der Brücke aus beobachten konnte. Diese "Algen-Brötchen" schmelzen sich dann regelrecht in das Eis ein, ein Phänomen, das sich mit der stärkeren Absorption der Algen im Vergleich zu dem weißen Meereis erklären lässt und das so bereits 1895 von Fridtjof Nansen für kleinere Aggregate beobachtet wurde.

Zu dem Zeitpunkt, wo wir diese Algenansammlungen untersucht haben, war die Kohlenstoffaufnahmerate dieser Brötchen noch vergleichsweise hoch, jedoch war ein überwiegender Teil der Algenzellen bereits abgestorben. Zurück in Bremerhaven werden uns biochemische Untersuchungen dieser Proben weitere Erkenntnisse über den Zustand dieser Algenansammlungen geben. Im nährstoffarmen Wasser, das aus dem Pazifik stammt, fanden wir in den Schmelztümpeln keine Algenaggregate. Mit dem Fortschreiten des Herbstes und dem Erreichen des Nordpols waren alle Schmelztümpel zugefroren und zunehmend mit einer dicken Schneedecke bedeckt.
Dadurch konnten wir vom fahrenden Schiff die flächendeckende Ausbreitung der "Algen-Brötchen" im Nansenbecken leider nicht mehr weiter verfolgen. Interessant ist auch die Frage, was mit diesen Algenansammlungen im Winter passiert. Werden sie einfach eingefroren in die Schmelztümpel und bilden so aufgrund ihrer dunklen Farbe einen Kern für verstärkte Eisschmelze im kommenden Jahr, die richtige Löcher in das Eis schmelzen und letztendlich zu Boden sinken? Oder wird die organische Substanz durch Bakterien wieder in Nährstoffe umgesetzt, so dass bei guten Lichtbedingungen ein erneutes Algenwachstum im nächsten Jahr in diesen Schmelztümpeln einsetzten kann? Auf dieser nun langsam zu Ende gehenden  Expedition werden wir diese Frage leider nicht mehr beantworten können.