Forskare vid Stanford University har upptäckt en överraskande förändring i Ishavet. Exploderande blomningar av växtplankton, de små algerna vid basen av ett näringsnät toppat av valar och isbjörnar, har drastiskt förändrat Arktis förmåga att omvandla atmosfäriskt kol till levande materia. Under det senaste decenniet, ökningen har ersatt havsisförlusten som den största drivkraften för förändringar i växtplanktons upptag av koldioxid.

Forskningen visas 10 juli in Vetenskap . Senior författare Kevin Arrigo, en professor vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth), sade att det växande inflytandet av växtplanktonbiomassa kan representera ett "betydande regimskifte" för Arktis, en region som värms upp snabbare än någon annanstans på jorden.

Studien fokuserar på netto primärproduktion (NPP), ett mått på hur snabbt växter och alger omvandlar solljus och koldioxid till sockerarter som andra varelser kan äta. "Taxorna är verkligen viktiga när det gäller hur mycket mat det finns för resten av ekosystemet, ", sa Arrigo. "Det är också viktigt eftersom detta är ett av de viktigaste sätten att CO ₂ dras ut ur atmosfären och ut i havet."

En tjockande soppa

Arrigo och kollegor fann att kärnkraftverket i Arktis ökade med 57 procent mellan 1998 och 2018. Det är ett aldrig tidigare skådat hopp i produktivitet för en hel havsbassäng. Mer överraskande är upptäckten att även om ökningar av kärnkraftverk ursprungligen var kopplade till retirerande havsis, produktiviteten fortsatte att stiga även efter att smältningen avtog runt 2009. "Ökningen av kärnkraftverk under det senaste decenniet beror nästan uteslutande på en nyligen ökad biomassa av växtplankton, sa Arrigo.

Uttryckt på ett annat sätt, dessa mikroskopiska alger metaboliserade en gång mer kol över Arktis helt enkelt för att de fick mer öppet vatten under längre växtsäsonger, tack vare klimatdrivna förändringar i istäcket. Nu, de blir mer koncentrerade, som en tjockande algsoppa.

"I en given volym vatten, mer växtplankton kunde växa varje år, " sa huvudstudieförfattaren Kate Lewis, som arbetade med forskningen som Ph.D. student vid Stanfords institution för geosystemvetenskap. "Detta är första gången detta har rapporterats i Ishavet."

Ny matförråd

Växtplankton kräver ljus och näring för att växa. Men tillgängligheten och sammanblandningen av dessa ingredienser i hela vattenpelaren beror på komplexa faktorer. Som ett resultat, även om arktiska forskare har observerat att växtplanktonblomningar går i överdrift under de senaste decennierna, de har diskuterat hur länge bommen kan pågå och hur högt den får klättra.

Genom att sammanställa en massiv ny samling av havsfärgmätningar för Ishavet och bygga nya algoritmer för att uppskatta växtplanktonkoncentrationer från dem, Stanford-teamet avslöjade bevis på att fortsatt produktionsökning kanske inte längre är så begränsad av knappa näringsämnen som man en gång misstänkte. "Det är fortfarande tidiga dagar, men det ser ut som att det nu sker en övergång till ökad näringstillförsel, sa Arrigo, Donald och Donald M. Steel professor i geovetenskap.

Forskarna antar att ett nytt tillflöde av näringsämnen strömmar in från andra hav och sveper upp från Arktis djup. "Vi visste att Arktis hade ökat produktionen under de senaste åren, men det verkade möjligt att systemet bara återvann samma lager av näringsämnen, " sa Lewis. "Vår studie visar att så inte är fallet. Växtplankton absorberar mer kol år efter år när nya näringsämnen kommer till detta hav. Det var oväntat, och det har stora ekologiska effekter."

Avkodning av Arktis

Forskarna kunde extrahera dessa insikter från mätningar av det gröna växtpigmentet klorofyll som tagits av satellitsensorer och forskningskryssningar. Men på grund av ljusets ovanliga samspel, färg och liv i Arktis, arbetet krävde nya algoritmer. "Ishavet är den svåraste platsen i världen för att göra satellitfjärranalys, " Arrigo förklarade. "Algorithmer som fungerar överallt annars i världen - som tittar på havets färg för att bedöma hur mycket växtplankton som finns där - fungerar inte alls i Arktis."

Svårigheten beror delvis på en enorm volym av inkommande te-färgat flodvatten, som bär upplöst organiskt material som fjärrsensorer missar för klorofyll. Ytterligare komplexitet kommer från de ovanliga sätt på vilka växtplankton har anpassat sig till Arktis extremt svaga ljus. "När du använder globala satellitfjärranalysalgoritmer i Ishavet, du slutar med allvarliga fel i dina uppskattningar, sa Lewis.

Ändå är dessa fjärranalysdata väsentliga för att förstå långsiktiga trender över ett havsområde i en av världens mest extrema miljöer, där en enda direkt mätning av kärnkraftverk kan kräva 24 timmars arbete dygnet runt av ett team av forskare ombord på en isbrytare, sa Lewis. Hon kurerade noggrant uppsättningar av havsfärger och NPP-mått, använde sedan den sammanställda databasen för att bygga algoritmer anpassade till Arktis unika förhållanden. Både databasen och algoritmerna är nu tillgängliga för allmänheten.

Arbetet hjälper till att belysa hur klimatförändringarna kommer att forma Ishavets framtida produktivitet, livsmedelsförsörjning och förmåga att ta upp kol. "Det kommer att finnas vinnare och förlorare, ", sade Arrigo. "Ett mer produktivt Arktis betyder mer mat för många djur. Men många djur som har anpassat sig för att leva i en polär miljö får livet svårare när isen drar sig tillbaka."

Växtplanktontillväxten kan också nå toppen i osynkronisering med resten av näringsväven eftersom isen smälter tidigare på året. Lägg till det sannolikheten för mer sjöfart när de arktiska vattnen öppnar sig, och det faktum att Arktis helt enkelt är för litet för att ta en stor bit av världens utsläpp av växthusgaser. "Den tar in mycket mer kol än den brukade ta in, " sa Arrigo, "men det är inget vi kommer att kunna lita på för att hjälpa oss ur vårt klimatproblem."