Biogeochemical cycling of silicon in the Arctic Ocean
Final Report Abstract
Der Arktische Ozean verändert sich aufgrund des Klimawandels schneller als jeder andere Ozean. Über den arktischen Silizium-Kreislauf ist bisher jedoch nur sehr wenig bekannt. Primärproduktivität durch Diatomeen ist aufgrund der generell geringen Verfügbarkeit von gelöstem Silizium im Oberflächenwasser, saisonaler Meereisbedeckung und damit limitierter Lichteinstrahlung eingeschränkt. Deshalb wurde bisher angenommen, dass unter solchen Bedingungen der Silizium-Kreislauf und die Verteilung von gelösten Silizium-Isotopen vor allem durch physikalische Prozesse wie Wassermassenmischung und -zirkulation dominiert wird. Diese Arbeit präsentiert die erste Studie zur Verteilung von stabilen Silizium-Isotopen in Meerwasser und biogenen Opalpartikeln aus dem eurasischen Sektor der Arktischen Ozeans. Die Verwendung von Silizium-Isotopen liefert uns wichtige Informationen über den jetzigen Status des biogeochemischen Silizium-Kreislaufs und kann damit als Grundlage für zukünftige Studien und zur Erfassung und Bewertung von anthropogenen Veränderungen dienen. Die gewonnenen Daten zeigen eine ausgeprägte Abnahme von gelösten Silizium- Konzentrationen gepaart mit einer hohen Silizium-Isotopie in allen Oberflächenproben, was auf eine Fraktionierung während der Nährstoffaufnahme durch Diatomeen hinweist. Allerdings zeigen sich deutliche Unterschiede zwischen dem Bereich im Einflussgebiet der Transpolaren Drift und dem Bereich außerhalb. In beiden Bereichen wird die Produktivität durch unterschiedliche Faktoren gesteuert. Die höhere Produktivität findet man im Bereich des Meereisrand außerhalb des Einflusses der Transpolaren Drift. Hier ist einströmendes Atlantikwasser die Hauptnährstoffquelle. Da diese Wassermasse im Allgemeinen geringe Nährstoffkonzentrationen aufweist, war die Nährstoffverfügbarkeit höchstwahrscheinlich der limitierende Faktor für das Diatomeenwachstum, während die Lichtverfügbarkeit höher und im Allgemeinen nicht limitierend war. Unter dem Einfluss der Transpolaren Drift ist die Silizium-Verfügbarkeit deutlich höher durch hohe Einträge über Flüsse, aber die Diatomeen-Produktivität wird durch Eisbedeckung und geringe Lichtverfügbarkeit begrenzt. Unerwarteterweise weisen die Silizium-Konzentration und -Isotopie des Oberflächenwassers der Transpolaren Drift auf eine anhaltende Si-Nutzung hin, während aber biogene Opal- und Chlorophyll-a-Konzentrationen sehr gering sind. Dies ist höchstwahrscheinlich auf Diatomeen zurückzuführen, die am Meereis angehaftet leben, aber Nährstoffe aus etwas tieferen Gewässern (10-20 m Wassertiefe) aufnehmen, wie zum Beispiel Melosira arctica, und aufgrund unzureichender Probenauflösung an der Oberfläche nicht in den Proben zur Bestimmung von biogenem Opal und Chlorophyll nachgewiesen werden konnten. Aufgrund der starken Schichtung sind Zwischen- und Tiefenwässer im Arktischen Ozean vom Partikeleinfluss aus dem Oberflächenwasser weitgehend isoliert. Diese Situation ermöglicht es, den relativen Einfluss von unterschiedlichen Wassermassen sowie Partikellösung auf die gemessene Si-Isotopenverteilung zu untersuchen. Der größte Einfluss von einströmendem Atlantischen Wasser war an den Stationen 32 und 40 in der Nähe der Framstraße zu finden. Die erhöhte Silizium-Isotopenverteilungen in allen Wasser- und Partikelproben zwischen 200- 500 m Tiefe deutet darauf hin, dass Wasser in großem Umfang und über weite Strecken lateral von den Schelfen, insbesondere der Barentssee, bis in die zentrale Arktis transportiert wird. Die gefundene erhöhte Silizium-Isotopie reflektiert dabei die erhöhte Produktivität und Silizium- Nutzung entlang der Schelfgebiete. In größeren Tiefen spielt Partikeltransport und -lösung dagegen aufgrund der geringen Partikelkonzentrationen für die Verteilung der Silizium-Isotopie momentan keine Rolle. Wir vermuten jedoch, dass sich diese Situation in Zukunft ändern könnte. Im Zuge des Klimawandels und dem damit einhergehenden Rückgang des Meereises wird erwartet, dass die Primärproduktion aufgrund höherer Lichteinstrahlung begünstigt wird und der biologische Si-Kreislauf eine wichtigere Rolle spielen wird. Dies könnte eine starke Veränderung in Nährstoffnutzung im Oberflächenwasser sowie Partikelexport und -lösung im Tiefenwasser nach sich ziehen. Die Barentssee ist aufgrund der Tiefenwasserbildung von zentraler Bedeutung für den gesamten Arktischen Ozean und einer der am besten untersuchten Schelfe. Dennoch ist wenig über den Silizium-Kreislauf in dieser Region bekannt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Verteilung von Wassermassen (Atlantisches vs. Arktisches Wasser) einen direkten Einfluss auf die Zusammensetzung und die Menge des Phytoplanktons hat.
Publications
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The Transpolar Drift Influence on the Silicon Cycle in the Central Arctic Ocean’. Goldschmidt Conference 2018. Boston, MA, USA
Liguori, B.T.P., C. Ehlert, E.-M. Nöthig & K. Pahnke
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Silicon Cycling and Shelf Input in the Central Arctic Ocean: Insights from Stable Silicon Isotopes. Goldschmidt Conference 2019. Barcelona, Spain
Liguori B.T.P., C. Ehlert & K. Pahnke
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(2020). The Influence of Water Mass Mixing and Particle Dissolution on the Silicon Cycle in the Central Arctic Ocean. Frontiers in Marine Science, 7 (202)
Liguori, B. T. P., C. Ehlert & K. Pahnke
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The Influence of Water Mass Mixing and Particle Dissolution on the Silicon Cycle in the Central Arctic Ocean, Ocean Science Meeting 2020, San Diego, USA
Ehlert, C., B.T.P. Liguori & K. Pahnke
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(2021) The Transpolar Drift Influence on the Arctic Ocean Silicon Cycle. Journal of Geophysical Research – Oceans 126(11)
Liguori, B.T.P., C. Ehlert, E.-M. Nöthig, J.C. van Ooijen & K. Pahnke
