Globala klimatförändringar värmer Arktiska havet och krympande havsis. Här, den blåvita iskåpan visar täckningen av havsis i dess minsta omfattning sommaren 2020, och den gula linjen visar den typiska arktiska havsisen mellan 1981 och 2010. Vissa har föreslagit att den nyligen exponerade havsytan kommer att leda till en planktonpopulationsboom och ett växande ekosystem i det öppna Ishavet, men ett team från Princeton och Max Planck Institute for Chemistry forskare säger att det inte är troligt. De har undersökt historiken och tillförselhastigheten för kväve, ett viktigt näringsämne. Deras senaste arbete visar att skiktningen av det öppna arktiska vattnet, särskilt i de områden som matas av Stilla havet via Berings sund, kommer att förhindra att ytplankton får tillräckligt med kväve för att växa rikligt. Upphovsman:Jesse Farmer, Princeton Universitet; modifierad från Rebecca Lindsey och Michon Scott, "Klimatförändringar:arktisk havsis, ” NOAA Climate.gov
Som nordpolen, Ishavet, och det omgivande arktiska landet värms snabbt, forskare tävlar om att förstå uppvärmningens effekter på arktiska ekosystem. Med krympande havsis, mer ljus når ytan av Ishavet. Vissa har förutspått att detta kommer att leda till mer plankton, som i sin tur skulle stödja fisk och andra djur.
Inte så snabbt, säger ett team av forskare som leds av Princeton University och Max Planck Institute for Chemistry.
De pekar på kväve, ett livsviktigt näringsämne. Forskarna använde fossiliserat plankton för att studera källhistorien och kvävehastigheten till västra och centrala öppna Ishavet. Deras arbete, detaljerat i en artikel i det aktuella numret av tidskriften Naturgeovetenskap , föreslår att under en global uppvärmningsregim, dessa öppna arktiska vatten kommer att uppleva mer intensiv kvävebegränsning, sannolikt förhindrar en ökning av produktiviteten.
"När man ser på Ishavet från rymden, det är svårt att se vatten alls, eftersom mycket av Ishavet är täckt av ett lager av isis, " sa huvudförfattaren Jesse Farmer, en postdoktor vid Institutionen för geovetenskap vid Princeton University som också är en besökande postdoktor vid Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, Tyskland. Denna havsis expanderar naturligt under vintrarna och drar ihop sig under somrarna. Under de senaste decennierna, dock, den globala uppvärmningen har orsakat en snabb nedgång i sommarens havsistäckning, med sommarisen nu ungefär hälften så stor som 1979.
När havsisen smälter, fotosyntetiserande plankton som utgör basen för arktiska livsmedelsbanor bör dra nytta av den större ljustillgängligheten. "Men det finns en fångst, "sa den bidragande författaren Julie Granger, en docent i marina vetenskaper vid University of Connecticut. "Dessa plankton behöver också näringsämnen för att växa, och näringsämnen är bara rikliga djupare i Ishavet, strax utanför planktonens räckvidd. "Om plankton kan förvärva dessa näringsämnen beror på hur strikt det övre havet är" skiktat, "eller separerade i lager. Havets övre 200 meter (660 fot) består av distinkta lager av vatten med olika densiteter, bestäms av deras temperatur och salthet.
Dessa vita klumpar är fossiliserade foraminifer från en sedimentkärna i ishavet, förstorad 30 gånger. Forskarna använde organiskt material inuti dessa "foram" - plankton som växte i ytvatten, dog sedan och sjönk till havsbotten - för att mäta kvävets isotopsammansättning. Upphovsman:Jesse Farmer, Princeton Universitet
"När det övre havet är starkt skiktat, med mycket lätt vatten som flyter ovanpå tätt djupt vatten, näringstillförseln till den solbelysta ytan är långsam, sa bonde.
Ny forskning ledd av forskare från Princeton University visar hur tillförseln av kväve till Arktis har förändrats sedan den senaste istiden, som avslöjar historien om ishavets skiktning. Med sedimentkärnor från västra och centrala Arktiska havet, forskarna mätte isotopsammansättningen av organiskt kväve fångat i kalkstensfossilerna av foraminifer (plankton som växte i ytvatten, dog sedan och sjönk till havsbotten). Deras mätningar avslöjar hur proportionerna av kväve som härrör från Atlanten och Stilla havet förändrades över tiden, samtidigt som man spårar förändringar i graden av kvävebegränsning av plankton vid ytan. Ona Underwood i klassen 2021 var en nyckelmedlem i forskargruppen, analyserade sedimentkärnor i västra Ishavet för hennes juniorprojekt.
Där haven möts:Stillahavsvattnet flyter över saltare, tätare Atlantvatten
Ishavet är mötesplatsen för två stora hav:Stilla havet och Atlanten. I västra Arktis, Stilla havets vatten rinner norrut över det grunda Beringssundet som skiljer Alaska från Sibirien. Anländer till Ishavet, det relativt färska Stillahavsvattnet rinner över saltare vatten från Atlanten. Som ett resultat, övre vattenspelaren i västra Arktis domineras av kväve från Stilla havet och är starkt skiktad.
Dock, så var inte alltid fallet. "Under den senaste istiden, när inlandsisens tillväxt sänkte den globala havsnivån, Beringsundet existerade inte, "sa Daniel Sigman, Princetons Dusenbury -professor i geologiska och geofysiska vetenskaper och en av Farmers forskningsmentorer. Vid den tiden, Beringssundet ersattes av Berings landbron, en landförbindelse mellan Asien och Nordamerika som möjliggjorde migration av människor till Amerika. Utan Beringsundet, Arktis skulle bara ha atlantiskt vatten, och kvävedata bekräftar detta.
Studera medförfattare Julie Granger provade vatten från ishavet ombord på US Coast Guard isbrytare Healy. Upphovsman:Julie Granger, University of Connecticut
När istiden slutade 11, 500 år sedan, när isen smälte och havsnivån steg, data visar det plötsliga utseendet av kvävgas i det öppna västra arktiska bassängen, dramatiska bevis på öppningen av Beringsundet.
"Vi hade förväntat oss att se denna signal i data, men inte så tydligt!" sa Sigman.
Detta var bara den första av överraskningarna. Analysera data, Bonden insåg också att före öppningen av Beringsundet, Arktis hade inte varit starkt skiktat som det är idag. Först när Beringssundet öppnades blev västra Arktis starkt skiktat, vilket återspeglas av uppkomsten av kvävebegränsning av plankton i ytvattnet.
På väg österut bort från Berings sund, vattnet från Stilla havet späds bort, så att det moderna centrala och östra Arktis domineras av atlantiskt vatten och relativt svag skiktning. Här, forskarna fann att kvävebegränsning och densitetsskiktning varierade med klimatet. Som i västra Arktis, skiktningen var svag under den senaste istiden, när klimatet var kallare. Efter istiden, central arktisk stratifiering förstärkt, når en topp mellan cirka 10, 000 och 6, 000 år sedan, en period med naturligt varmare arktiska sommartemperaturer som kallas "Holocene Thermal Maximum". Sen den tiden, centrala arktiska stratifieringen har försvagats, tillåta tillräckligt djupt kväve för att nå ytvatten för att överskrida planktonkraven.
Den globala uppvärmningen återför snabbt Arktis till klimatet i Holocene Thermal Maximum. När denna uppvärmning fortsätter, vissa forskare har förutspått att minskat isöverdrag skulle öka produktiviteten för arktiskt plankton genom att öka mängden solljus som når havet. Den nya historiska information som Farmer och hans kollegor har förvärvat tyder på att en sådan förändring är osannolik för de öppna bassängvattnen i västra och centrala Arktis. Västra Arktis kommer att förbli starkt skiktat på grund av ihållande inflöde av Stillahavsvatten genom Beringssundet, medan uppvärmningen kommer att stärka skiktningen i centrala Arktis. I båda dessa öppna havsregioner, långsam kväveförsörjning kommer sannolikt att begränsa planktons produktivitet, drog forskarna slutsatsen.
"En ökning av produktiviteten i den öppna arktiska bassängen skulle sannolikt ha setts som en fördel, till exempel, ökat fiske, "sa bonde." Men med tanke på våra uppgifter, en ökning av den öppna arktiska produktiviteten verkar osannolik. Det bästa hoppet om en framtida ökning av den arktiska produktiviteten är förmodligen i Arktis kustvatten. "
