Wie schmelzendes Eis in der Antarktis den Eisengehalt im Südlichen Ozean wirklich beeinflusst

Lange Zeit hofften viele Forschende, dass das Schmelzen von Eis in der Antarktis dem Klimawandel sogar entgegenwirken könnte. Der Gedanke klang plausibel: Wenn Gletscher und Schelfeis schmelzen, könnten sie Eisen in den Ozean abgeben.

Eisen ist ein wichtiger Nährstoff für winzige Meerespflanzen. Wachsen diese stärker, nehmen sie mehr Kohlendioxid auf – jenes Gas, das die Erde aufheizt. Mehr Eisen hätte demnach mehr Pflanzenwachstum und weniger Kohlendioxid in der Atmosphäre bedeuten können.

Neue Ergebnisse zeigen jedoch, dass diese optimistische Annahme so nicht aufgeht.

Warum Eisen so wichtig ist

Der Südliche Ozean rund um die Antarktis spielt für den Planeten eine zentrale Rolle. Er wirkt zwar kalt und leer, ist aber ökologisch äußerst aktiv. In diesen Gewässern treiben mikroskopisch kleine Pflanzen, sogenanntes Phytoplankton.

Trotz ihrer geringen Größe bilden sie die Basis des gesamten Nahrungsnetzes: Zuerst frisst Krill das Phytoplankton, danach ernähren sich Pinguine, Robben und sogar riesige Wale vom Krill.

Darüber hinaus leisten diese Kleinstpflanzen einen entscheidenden Beitrag zum Klima. Bei der Produktion ihrer eigenen Nahrung entziehen sie der Luft Kohlendioxid. Dadurch nimmt der Südliche Ozean mehr Kohlendioxid auf als jeder andere Ozean der Erde.

Phytoplankton wächst allerdings nicht unbegrenzt. Es benötigt Eisen – ähnlich wie Menschen Vitamine brauchen. Fehlt Eisen im Wasser, verlangsamt sich das Wachstum.

In der Folge wird weniger Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernt. Genau deshalb verfolgen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler genau, woher das Eisen in diesem Ozean stammt.

Schmelzendes Eis und Eisendüngung

Viele Forschende gingen davon aus, dass schmelzende Schelfeise große Mengen Eisen in den Ozean freisetzen – ein Prozess, der als Eisendüngung bezeichnet wird.

Die Begründung schien einfach: Eis bindet Eisen. Schmilzt das Eis, gelangt Eisen ins Meer. Zusätzliches Eisen beschleunigt das Wachstum von Phytoplankton. Schnelleres Wachstum zieht mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre.

Einige Klimamodelle berücksichtigten diese Annahme sogar bei Prognosen zur künftigen Klimaentwicklung.

Um das zu überprüfen, reiste 2022 ein Team der Rutgers University New Brunswick und weiterer Einrichtungen zum Dotson-Schelfeis in der Westantarktis. Zum Einsatz kam das Forschungsschiff Nathaniel B. Palmer.

Unter dem schwimmenden Schelfeis strömt warmes, tiefes Ozeanwasser entlang und lässt das Eis von unten abschmelzen. Dadurch entsteht ein Zirkulationsmechanismus, der als Schmelzwasserpumpe bekannt ist: Er mischt Schmelzwasser mit Tiefenwasser und transportiert die Mischung nach oben in Richtung Oberfläche.

Die Forschenden wollten dabei präzise erfassen, wie viel Eisen in dieses System hinein- und wieder herausgelangt.

Was die Wissenschaftler gemessen haben

Das Team entnahm Wasserproben an den Stellen, an denen Tiefenwasser in den Bereich unter dem Schelfeis einströmt, sowie dort, wo das gemischte Wasser wieder ausströmt.

Dabei zeigte sich: Das einströmende Tiefenwasser brachte bereits Eisen mit. Und das Wasser, das den Bereich unter dem Schelfeis verließ, enthielt nur geringfügig mehr Eisen als das Wasser, das hineinfloss.

Der Zuwachs war minimal. Das Schmelzwasser machte lediglich etwa 10 Prozent des gelösten Eisens im ausströmenden Wasser aus. Damit wurde deutlich, dass schmelzendes Eis nicht – wie lange angenommen – die wichtigste Eisenquelle ist.

Woher der Großteil des Eisens stammt

Für viele Forschende waren die Zahlen überraschend. Rund 62 Prozent des gelösten Eisens stammten aus tiefem Ozeanwasser. Etwa 28 Prozent kamen aus Sedimenten am Meeresboden. Und nur ungefähr 10 Prozent ließen sich auf Schmelzwasser zurückführen.

„Roughly 90% of the dissolved iron coming out of the ice shelf cavity comes from deep waters and sediments outside the cavity, not from meltwater,“ sagte Venkatesh Chinni, Postdoktorand und Hauptautor der Studie.

Diese Erkenntnis stellt frühere Vorstellungen darüber infrage, auf welchen Wegen Eisen in den Südlichen Ozean gelangt.

Eine verborgene Quelle unter dem Eis

Zusätzlich untersuchte das Team Eisenisotope, die wie chemische Fingerabdrücke wirken. Mit diesen Fingerabdrücken lässt sich besser nachvollziehen, wo das Eisen ursprünglich entstanden ist.

Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass ein Teil des Eisens unter dem Gletscher selbst freigesetzt wird. Unter dem Eis kann Wasser in dunklen Bereichen mit sehr wenig Sauerstoff stehen. Unter solchen Bedingungen können winzige Mikroben dabei helfen, Eisen aus Gestein zu lösen. Dieses Eisen wird anschließend Richtung Ozean transportiert.

„Our claim in this paper is that the meltwater itself carries very little iron, and that most of the iron that it does carry comes from the grinding up and dissolving of bedrock into the liquid layer between the bedrock and the ice sheet, not from the ice that is driving sea level rise,“ sagte Rob Sherrell, der leitende Forscher der Studie.

Auch winzige Partikel sind entscheidend

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fanden außerdem große Mengen Eisen, das an kleinste Partikel im Wasser gebunden war. Dieses partikuläre Eisen trat deutlich häufiger auf als gelöstes Eisen.

Ein Teil dieser Partikel könnte nach und nach Eisen freisetzen, das Phytoplankton nutzen kann. Die Schmelzwasserpumpe trägt dazu bei, sowohl Tiefenwasser als auch eisenreiche Partikel nach oben zu befördern – dorthin, wo Sonnenlicht Pflanzenwachstum ermöglicht.

Damit hat das Schmelzen von Eis weiterhin eine Funktion. Seine Hauptwirkung besteht jedoch darin, Eisen aus der Tiefe an die Oberfläche zu bringen, statt große zusätzliche Mengen gelösten Eisens neu einzutragen.

Was das für Klimaprognosen bedeutet

Einige Klimamodelle setzten voraus, dass schmelzendes Eis große Eisenmengen in den Ozean abgibt – die neue Studie zeigt jedoch, dass dieser Beitrag viel kleiner ist als erwartet.

Den Großteil liefern Tiefenwasser und Sedimente am Meeresboden. Das Abschmelzen unterstützt vor allem den Auftrieb von eisenreichem Wasser.

Während sich die Antarktis weiter erwärmt, dürfte das Schmelzen zunehmen. Dadurch könnte mehr Tiefenwasser zur Oberfläche gedrückt werden. Dennoch wird die wichtigste Eisenquelle voraussichtlich Tiefenwasser bleiben – zusammen mit Material aus dem Untergrund unter dem Eis, nicht das Schmelzwasser selbst.

Die Studie schärft damit das Verständnis dafür, wie die Antarktis die Chemie des Südlichen Ozeans prägt und damit Meeresökosysteme sowie das globale Klima beeinflusst.