Towards a better understanding of the nutrient cycles in the 'new' Arctic Ocean and implications for future primary productivity and carbon export (nuArctic)

Abstract

Der Arktische Ozean erwärmt sich aufgrund des anthropogenen Klimawandels mehr als doppelt so schnell wie die gemäßigten Zonen, und es wird erwartet, dass das sommerliche Meereis bis zur Mitte des Jahrhunderts verschwindet. Vor diesem Hintergrund stellen wir die Hypothese auf, dass die Primärproduktion durch die zurückgehende Meereisbedeckung steigen wird, bis die Nachteile durch Nährstoff-Limitierung (insbesondere von Nitrat) die Vorteile der höheren Lichtverfügbarkeit überwiegen. Der verfügbare "Nährstoffvorrat", der über den Winter in der oberflächennahen Wasserschicht entsteht, bestimmt weitgehend die Menge der jährlichen Primärproduktion. Wie viel Nährstoffe im Arktischen Ozean remineralisiert werden, ist jedoch unbekannt; was dazu führt, dass das Nährstoff-Budget der Arktis nicht geschlossen werden kann - es fehlt eine bislang unentdeckte Nährstoffquelle. Diese eklatante Lücke in unserem Verständnis ist vor allem auf den extremen Mangel an Nährstoff-Daten, insbesondere im Winter und in der ozeanischen Dämmerungszone (in ~100-1000 m Tiefe), zurückzuführen. Ziel des nuArctic-Projekts ist es, diese Lücke durch die Assimilierung von Daten der MOSAiC-Drift-Expedition in ein biogeochemisches Modell der neuesten Generation, das auch Teil eines Erdsystemmodells ist, zu schließen. nuArctic wird die Remineralisierung organischen Materials erforschen, einen grundlegenden Prozeß, der den oberflächennahen mit dem tiefen Ozean verbindet. Remineralisierung beeinflusst die biogeochemischen Kreisläufe von ökologisch wichtigen Substanzen wie Nährstoffen, Sauerstoff und Kohlenstoff. Insbesondere wird nuArctic das Verständnis der Remineralisierung von Nährstoffen und deren Rückkopplung mit der Funktionsweise des Ökosystems (z.B. jährliche Primärproduktion, Plankton Zusammensetzung) verbessern. Unsere Fortschritte bei der Modellierung der Remineralisation wird (1) ein pan-Arktisches Nährstoff- und Kohlenstoffbudget für die letzten vier Dekaden produzieren und (2) die Robustheit von Projektionen der Primärproduktion im Arktischen Ozean und seiner Rolle als zukünftige Kohlenstoffsenke erhöhen. Das übergeordnete Ziel von nuArctic war es, die Remineralisierung organischer Stoffe zu untersuchen, die den biogeochemischen Kreislauf wichtiger ökologischer Substanzen wie Nährstoffe (z.B. Stickstoff), Sauerstoff und Kohlenstoff moduliert. Insbesondere zielte nuArctic darauf ab, das Verständnis der Remineralisierung von Nährstoffen und ihrer Rückkopplungen mit dem Funktionieren des Ökosystems (d.h. jährliche Primärproduktion, Zusammensetzung der planktonischen Assemblage) zu verbessern. nuArctic hatte das Ziel, die Remineralisierungsparameter in einem ozeanischen biogeochemischen Modell zu verbessern und die Schätzungen für den 'neuen' Nährstoffhaushalt des Arktischen Ozeans, die Produktivität und seine Fähigkeit, als Kohlenstoffsenke zu wirken, zu verfeinern. Konkret hatte nuArctic 3 spezifische Ziele:

Quantifizierung der Remineralisierungsprozesse unter Verwendung und Vergleich von drei sich ergänzenden Techniken: Sauerstoffverwertungsrate, vertikale Partikelflussdämpfung und direkte Atmungsmessungen. Identifizieren Sie die Umwelt- und ökologischen Faktoren, die die Remineralisierung vorantreiben. Quantifizieren Sie den Beitrag der Remineralisierung zur jährlichen Nettoprimärproduktion und zum Nährstoff- und Kohlenstoffkreislauf entlang der MOSAiC-Drift-Expedition und entwickeln Sie 'arktis-optimierte' Parametrisierungen, die identifizierte Modellmängel beheben. Quantifizierung der Auswirkung der Remineralisierung auf die Kohlenstoff- und Nährstoffflüsse und die Primärproduktion anhand einer groß angelegten, hochauflösenden 3-D-Simulation über den Zeitraum 1980-2020; einschließlich einer Aktualisierung des pan-arktischen Nitratbudgets.