„Ewiges Eis“ ergrünt

…oder errötet

Wegen der steigenden Temperaturen breiten sich am Südpol Algen aus, die das „ewige Eis“ grün (oder rot) einfärben. Eine neue Studie in nature zeigt, dass die Algenflächen trotz Schneeschmelze größer werden und eine wichtige Rolle als Kohlenstoffspeicher spielen. Grüne Algen wachsen sowohl unter als auch auf dem Schnee. Sie sind mikroskopisch klein, wenn sie aber in großer Zahl auftreten, verfärben sie die Schneelandschaft. “Diese Farbteppiche erstrecken sich teilweise über Hunderte Quadratmeter und sind sogar vom Weltall aus sichtbar. Bereits seit Langem bekannt sind außerdem rote Algenblüten in der Antarktis” (DER SPIEGEL).

Abstrakt aus nature

Wir präsentieren die erste Schätzung der Biomasse und der Verteilung von Grünalgengemeinschaften entlang der Antarktischen Halbinsel. Sentinel-2-Bilder, die durch zwei Feldkampagnen unterstützt wurden, zeigten 1679 Schneealgenblüten, die saisonal 1,95 × 106 m2 bedeckten und einer Gesamttrockenbiomasse von 1,3 × 103 Tonnen entsprachen. Die Reichweite des Ökosystems beschränkt sich auf Gebiete mit durchschnittlich positiven Sommertemperaturen und einer Verteilung, die stark von marinen Nährstoffeinträgen beeinflusst wird, wobei 60% der Blüten weniger als 5 km von einer Pinguinkolonie entfernt sind. Eine sich erwärmende Antarktis kann viele der 62% Blüten auf kleinen, tief gelegenen Inseln verlieren, die keinen höher gelegenen Boden für eine Ausdehnung haben. Es wurde jedoch beobachtet, dass die Blütenfläche und die Höhe in niedrigeren Breitengraden zunehmen, was darauf hindeutet, dass eine parallele Ausdehnung der Blütenfläche auf größeren Landmassen in der Nähe von Vogel- oder Robbenkolonien wahrscheinlich ist. Es wird vorhergesagt, dass diese Zunahme den Biomasseverlust auf kleinen Inseln überwiegen wird, was zu einer Nettozunahme der Schneealgenausdehnung und der Biomasse bei Erwärmung der Halbinsel führen wird.

Einführung

In den begrenzten terrestrischen Ökosystemen der Antarktis werden alle photosynthetischen Organismen einen bedeutenden Beitrag zur Ökologie ihres Lebensraums leisten. Eisfreier Boden macht nur etwa 0,18% der kontinentalen Fläche der Antarktis aus, und selbst auf der Antarktischen Halbinsel, der am stärksten bewachsenen Region der Antarktis, sind nur 1,34% dieses exponierten Bodens bewachsen. Das fotosynthetische Leben ist jedoch nicht auf den nackten Boden beschränkt, da Algenblüten oft in Schneefeldern an der Küste als grüne (Abb.) und rote Flecken unter und auf der Schneeoberfläche erscheinen. Schneealgenblüten in der Antarktis wurden erstmals durch Expeditionen in den 1950er und 1960er Jahren beschrieben und sind seither an einigen wenigen Orten in der Antarktis untersucht worden, wo sich gezeigt hat, dass sie eine Vielzahl von Algenarten beherbergen und eine Schlüsselrolle im Nährstoff- und Kohlenstoffkreislauf spielen. Wenn man bedenkt, dass eine einzige Schneealgenblüte Hunderte von Quadratmetern bedecken kann, sind Schneealgen potenziell einer der bedeutendsten photosynthetischen Primärproduzenten der Region und beeinflussen die Nährstoffversorgung der nachgelagerten terrestrischen und marinen Ökosysteme.

Abb. 1: Grüne Schneealgenblüte, die von Grünalgen dominiert wird, die unter der jahreszeitlichen Schneedecke zu schmelzen beginnen, um sich auf darunter liegenden mehrjährigen Neptungräsern niederzulassen. /26. Januar 2018, Anchorage Island (67,6°S). Die gezeigte Blüte betrug etwa 50 m × 100 m – Foto © nature

Die Erwärmung auf der Antarktischen Halbinsel hat bereits 1,5 °C gegenüber den vorindustriellen Temperaturen überschritten, und die aktuellen Projektionen des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) deuten auf einen weiteren globalen Anstieg hin. Vor dem Hintergrund der natürlichen dekadischen Temperaturschwankungen beeinflussen die klimatischen Veränderungen auf der Halbinsel bereits ihre Vegetation. Da die verfügbare Fläche für die Besiedlung durch Pflanzen auf der Halbinsel aufgrund dieser Erwärmung wahrscheinlich um bis zum Dreifachen zunehmen wird, ist das Verständnis, wie Schneealgen in die Biosphäre der Antarktis passen und wie sie wahrscheinlich auf die Erwärmung reagieren, entscheidend für das Verständnis der Gesamtauswirkungen des Klimawandels auf die Vegetation der Antarktis.

Die satellitengestützte Fernerkundung ist ein entscheidender Schritt in unserer Fähigkeit, die Ausdehnung der terrestrischen Biosphäre der Antarktis zu kartieren und zu überwachen. Die derzeitigen Fernerkundungsschätzungen der Vegetationsbiomasse und -verteilung sind jedoch auf Pflanzen auf exponiertem Boden verzerrt und schließen Schneealgen oft von der Analyse aus, da ihr spektrales Profil die Verwendung klassischer Vegetationsindizes ausschließt. Die Bemühungen um den Einsatz der Fernerkundung zur Identifizierung und Quantifizierung von Schneealgen konzentrierten sich bisher auf die nördliche Hemisphäre, wobei frühe Arbeiten mit luftgetragener Hyperspektralabbildung25 und neuere Vorhersagemodelle zur Quantifizierung der Biomasse und der Bioalbedo (die Auswirkungen biologischer Verunreinigungen auf Eis und Schneealbedo) von Schnee und Eis entwickelt wurden. Mehrere Studien haben mit Hilfe von Satellitenbeobachtungen Schnee- und Eisalgen auf größeren Skalen untersucht und dabei Algenblüten als wesentliche Triebkräfte für die Verdunkelung und das verstärkte Abschmelzen des grönländischen Eisschildes angeführt. Die derzeitige spektrale und räumliche Auflösung frei verfügbarer multispektraler Satellitenbilder beschränkt die Untersuchung der meisten Schnee- und Eisalgen auf die Erfassung des Vorkommens durch Klassifizierungsmodelle oder die Beurteilung relativ kleiner, bodenvalidierter Gebiete. Großräumige Beobachtungen werden auch durch die starke Vorwärtsstreuung des Lichts auf Schnee, gebirgiges Gelände und niedrige Sonnenzenitwinkel in den Polarregionen erschwert, die starke Richtungsverzerrungen innerhalb der Satellitenbilder hervorrufen, hinzu kommt, dass häufige Bewölkung und sommerlicher Schneefall die Algen auf der Oberfläche oft verdecken.

Um diese Herausforderungen abzuschwächen, nutzen wir Daten aus mehreren Jahren, die wir von der Sentinel-2-Konstellation multispektraler Bildgebungssatelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) erhalten haben, um eine erste Schätzung der Verteilung, Größe und Biomasse von Schneealgenblüten auf der gesamten Antarktischen Halbinsel zu erhalten. Zur Validierung unseres Ansatzes wurde die Fernerkundung mit In-situ-Messungen der spektralen Reflexionsfaktoren, der Zellkonzentration, der trockenen Biomasse, des Gasaustauschs und des Nährstoffzustands kombiniert, wobei die Daten über zwei Feldsaisons gesammelt wurden, in Ryder Bay, Adelaide Island (67°S), im Sommer 2017/18, und auf der Fildes-Halbinsel, King George Island (62°S), im Sommer 2018/19. Wir zeigen, dass die Antarktische Halbinsel mindestens 1,3 × 103 Tonnen (Trockenmasse) grüne Schneealgen beherbergt, die etwa 1,9 km2 bedecken. Wir präsentieren auch Daten über die wahrscheinlichen Faktoren, die die Schneealgenverteilung steuern, und diskutieren, wie diese durch die klimatische Erwärmung beeinflusst werden kann.

Roter Schnee vor Forschungsstation der Ukraine – Foto © mon.gov.ua

Ergebnisse und Diskussion – Kampagne zur Bodenvalidierung

Küstenschneefelder an beiden Feldstandorten wiesen sichtbare Blüten grüner und roter Schneealgen auf (siehe Abb. 1), deren Fläche zwischen 10s cm2 und 100s m2 lag. Zu Beginn der Schmelzsaison (Dezember/Januar) wurden Schneegrünalgen vor allem innerhalb eines Schneematschbandes zwischen den saisonalen und mehrjährigen Schneeschichten beobachtet. Bis Februar waren große Bereiche dieser saisonalen Schneedecke geschmolzen und legten die darunter liegenden Grünalgen als dünne (ca. 9 mm) Schicht auf der Oberfläche des darunter liegenden, älteren Schnees frei. Die Hellfeldmikroskopie zeigte die Morphologie der vorhandenen Grünalgen, die von einzelligen runden oder länglich-ellipsoiden (einzeln oder verklumpt) bis zu fadenförmigen Zellsträngen reichte (siehe ergänzende Abb. 1 für Hellfeldaufnahmen). Hemisphärische Richtungsreflexionsfaktoren (HDRFs) wurden für grüne Schneealgen auf King George Island mit einem Feldspektrometer aufgezeichnet (Abb. 2). Eine signifikante Variation in der Intensität der Reflexionsfaktoren wurde über die Flecken der Schneegrünalgen hinweg beobachtet, wobei die durchschnittlichen sichtbaren/nahen Infrarot-HDRFs für Blüten mit hoher Zelldichte ca. 20% der Kontrollflächen ohne sichtbare Färbung ausmachten. Diese Verminderung der Albedo hängt mit der erhöhten Absorption von Licht direkt durch Algenzellen sowie mit indirekten Einflüssen, wie z.B. einem höheren Flüssigwassergehalt in algenhaltigem Schnee, zusammen26. Alle HDRFs von grünen Schneealgenblüten (n = 91) wiesen eine charakteristische Chlorophyll-Absorption auf, die um 680 nm25,26 zentriert war. Dies bedeutete, dass sie positive Werte von IB4 (Gl. (1)) ergaben, wenn sie zur spektralen Antwort des Multispektral-Imagers von Sentinel 2 gefaltet wurden. Die Werte von IB4, die von feldmetrisch gemessenen HDRFs abgeleitet wurden, reichten von 0,02 (gemessene Zelldichte: 1,2 × 104 Zellen ml-1) bis 0,39 (gemessene Zelldichte: 1,2 × 105 Zellen ml-1)….(weiterlesen auf: nature.com/s41467-020-16018-w)

->Quellen: