Als de Noordpool, de Noordelijke IJszee, en het omringende Arctische land warmt snel op, wetenschappers haasten zich om de effecten van de opwarming op de Arctische ecosystemen te begrijpen. Met krimpend zee-ijs, meer licht bereikt het oppervlak van de Noordelijke IJszee. Sommigen hebben voorspeld dat dit zal leiden tot meer plankton, die op hun beurt vissen en andere dieren zou ondersteunen.

Niet zo snel, zegt een team van wetenschappers onder leiding van Princeton University en het Max Planck Institute for Chemistry.

Ze wijzen op stikstof, een essentiële voedingsstof. De onderzoekers gebruikten gefossiliseerd plankton om de geschiedenis van bronnen en toevoersnelheden van stikstof naar de westelijke en centrale open Noordelijke IJszee te bestuderen. Hun werk, gedetailleerd in een paper in het huidige nummer van het tijdschrift Natuur Geowetenschappen , suggereert dat onder een regime van opwarming van de aarde, deze open Arctische wateren zullen een intensere stikstofbeperking ervaren, waarschijnlijk een stijging van de productiviteit te voorkomen.

"Kijkend naar de Noordelijke IJszee vanuit de ruimte, het is moeilijk om water te zien, aangezien een groot deel van de Noordelijke IJszee bedekt is met een laag zee-ijs, " zei hoofdauteur Jesse Farmer, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij de afdeling Geowetenschappen aan de Universiteit van Princeton, die ook een bezoekende postdoctoraal onderzoeker is aan het Max Planck Institute for Chemistry in Mainz, Duitsland. Dit zee-ijs zet van nature uit tijdens de winter en krimpt tijdens de zomers. In de afgelopen decennia, echter, opwarming van de aarde heeft geleid tot een snelle afname van de zee-ijsbedekking in de zomer, met een zomerijsbedekking die nu ongeveer de helft is van die van 1979.

Als zee-ijs smelt, fotosynthetiserend plankton dat de basis vormt van Arctische voedselwebben, zou moeten profiteren van de grotere beschikbaarheid van licht. "Maar er is een vangst, " zei bijdragende auteur Julie Granger, een universitair hoofddocent mariene wetenschappen aan de Universiteit van Connecticut. "Dit plankton heeft ook voedingsstoffen nodig om te groeien, en voedingsstoffen zijn alleen overvloedig dieper in de Noordelijke IJszee, net buiten het bereik van het plankton." Of plankton deze voedingsstoffen kan opnemen, hangt af van hoe strikt de bovenste oceaan is "gelaagd, " of gescheiden in lagen. De bovenste 200 meter (660 voet) van de oceaan bestaat uit verschillende lagen water met verschillende dichtheden, bepaald door hun temperatuur en zoutgehalte.

"Als de bovenste oceaan sterk gelaagd is, met heel licht water dat op dicht diep water drijft, de toevoer van voedingsstoffen naar het zonovergoten oppervlak is traag, " zei Boer.

Nieuw onderzoek onder leiding van wetenschappers van Princeton University laat zien hoe de toevoer van stikstof naar het noordpoolgebied is veranderd sinds de laatste ijstijd, die de geschiedenis van de gelaagdheid van de Noordelijke IJszee onthult. Met behulp van sedimentkernen uit de westelijke en centrale Noordelijke IJszee, de onderzoekers maten de isotopensamenstelling van organische stikstof gevangen in de kalksteenfossielen van foraminiferen (plankton dat groeide in oppervlaktewateren, stierf toen en zonk naar de zeebodem). Hun metingen laten zien hoe de verhoudingen van uit de Atlantische en Stille Oceaan afkomstige stikstof in de loop van de tijd veranderden, terwijl ook veranderingen in de mate van stikstofbeperking van plankton aan het oppervlak worden gevolgd. Ona Underwood van de Class of 2021 was een belangrijk lid van het onderzoeksteam, het analyseren van sedimentkernen in de westelijke Noordelijke IJszee voor haar junior project.

Waar de oceanen samenkomen:Stille wateren drijven boven zouter, dichtere Atlantische wateren

De Noordelijke IJszee is de ontmoetingsplaats van twee grote oceanen:de Stille en de Atlantische Oceaan. In het westelijke noordpoolgebied, De wateren van de Stille Oceaan stromen noordwaarts over de ondiepe Beringstraat die Alaska van Siberië scheidt. Aangekomen in de Noordelijke IJszee, het relatief zoete Pacifische water stroomt over zouter water uit de Atlantische Oceaan. Als resultaat, de bovenste waterkolom van het westelijke noordpoolgebied wordt gedomineerd door stikstof uit de Stille Oceaan en is sterk gelaagd.

Echter, dit was niet altijd het geval. "Tijdens de laatste ijstijd, toen de groei van ijskappen de wereldwijde zeespiegel verlaagde, de Beringstraat bestond niet, " zei Daniël Sigman, Princeton's Dusenbury hoogleraar geologische en geofysische wetenschappen en een van Farmer's onderzoeksmentoren. In die tijd, de Beringstraat werd vervangen door de Beringlandbrug, een landverbinding tussen Azië en Noord-Amerika die de migratie van mensen naar Amerika mogelijk maakte. Zonder de Beringstraat, het noordpoolgebied zou alleen Atlantisch water hebben, en de stikstofgegevens bevestigen dit.

Toen de ijstijd op 11 eindigde, 500 jaar geleden, terwijl ijskappen smolten en de zeespiegel steeg, de gegevens tonen de plotselinge verschijning van stikstof uit de Stille Oceaan in het open westelijke Arctische bekken, dramatisch bewijs van de opening van de Beringstraat.

"We hadden verwacht dit signaal in de gegevens te zien, maar niet zo duidelijk!" zei Sigman.

Dit was slechts de eerste van de verrassingen. Analyseren van de gegevens, Boer realiseerde zich ook dat, voor de opening van de Beringstraat, het noordpoolgebied was niet zo sterk gestratificeerd als nu. Pas met de opening van de Beringstraat werd het westelijke noordpoolgebied sterk gelaagd, zoals weerspiegeld door het begin van stikstofbeperking van plankton in het oppervlaktewater.

Richting het oosten weg van de Beringstraat, het water uit de Stille Oceaan wordt verdund, zodat de moderne centrale en oostelijke Arctische gebieden worden gedomineerd door Atlantisch water en relatief zwakke gelaagdheid. Hier, de onderzoekers ontdekten dat stikstofbeperking en dichtheidsstratificatie varieerden met het klimaat. Net als in het westelijke noordpoolgebied, stratificatie was zwak tijdens de laatste ijstijd, toen het klimaat kouder was. Na de ijstijd, centrale Arctische stratificatie versterkt, een piek bereiken tussen ongeveer 10, 000 en 6, 000 jaar geleden, een periode van natuurlijk warmere Arctische zomertemperaturen die het 'Holoceen Thermal Maximum' wordt genoemd. Sinds die tijd, centrale Arctische stratificatie is verzwakt, waardoor er voldoende stikstof diep in het oppervlaktewater kan komen om de eisen van plankton te overtreffen.

Door de opwarming van de aarde keert het noordpoolgebied snel terug naar het klimaat van het Holoceen Thermal Maximum. Terwijl deze opwarming voortduurt, sommige wetenschappers hebben voorspeld dat een verminderde ijsbedekking de productiviteit van Arctisch plankton zou verhogen door de hoeveelheid zonlicht die de oceaan bereikt te vergroten. De nieuwe historische informatie die door Farmer en zijn collega's is verkregen, suggereert dat een dergelijke verandering onwaarschijnlijk is voor de open wateren van het westelijke en centrale Noordpoolgebied. Het westelijke noordpoolgebied zal sterk gelaagd blijven vanwege de aanhoudende instroom van Pacifisch water door de Beringstraat, terwijl de opwarming de gelaagdheid in het centrale Noordpoolgebied zal versterken. In beide open oceaangebieden, langzame stikstoftoevoer zal de planktonproductiviteit waarschijnlijk beperken, concludeerden de onderzoekers.

"Een stijging van de productiviteit van het open Arctische bekken zou waarschijnlijk als een voordeel zijn gezien, bijvoorbeeld, toenemende visserij, "zei Farmer. "Maar gezien onze gegevens, een stijging van de productiviteit in het open Noordpoolgebied lijkt onwaarschijnlijk. De beste hoop op een toekomstige stijging van de Arctische productiviteit ligt waarschijnlijk in de kustwateren van het Noordpoolgebied."