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Polareis als Lieferant für Spurenelemente

Schmelzwasser ist mit mehr Mikronährstoffen angereichert als angenommen

Schmelzwasserfluss
Fein zermahlenen Sedimente verleihen diesem Schmelzwasserfluss aus dem grönländischen Inlandeis seine graue Farbe. © Jon Hawkings/GFZ

Verborgener Speicher: Unter den Eismassen Grönlands und der Antarktis werden weit mehr Spurenelemente wie Eisen, Titan, Chrom oder Nickel mobilisiert als gedacht. Im Schmelzwasser übertrifft dadurch der Gehalt dieser Elemente die für oberirdische Gewässer und Meere typischen Werte um ein Vielfaches, wie Analysen enthüllen. Damit könnte das polare Schmelzwasser eine wichtigere Rolle für biogeochemische Kreisläufe spielen als bislang angenommen.

Unter dem kilometerdicken Eis Grönlands und der Antarktis sammelt sich nicht nur Schmelzwasser in subglazialen Flüssen und Seen. Der enorme Druck der Eismassen trägt auch Gesteinsteile und unverfestigte Sedimente vom Untergrund ab und zermahlt sie. Dabei werden Spurenelemente frei, darunter das für alle Lebewesen essenzielle Eisen, aber auch andere für viele Stoffwechselvorgänge und Enzyme wichtige Metalle wie Magnesium, Kupfer, Molybdän, Kobalt, Kadmium oder Zink.

Eisbohrloch
Bohrloch zum antarktischen Mercer Subglacial Lake, der gut 1.000 Meter unter der Eisoberfläche liegt. © Katryn Kasic/ Montana State University

Proben aus subglazialen Gewässern

Wie und in welchen Mengen solche Spurenelemente unter dem Eis freigesetzt werden und schließlich in die angrenzenden Ökosysteme abfließen, war jedoch bisher nur in Teilen bekannt. Deshalb hat nun ein internationales Forscherteam um Jon Hawkings von der Florida State University die Konzentration dieser Mikronährstoffe direkt an ihrem Ursprung untersucht: in subglazialen Gewässern Grönlands und der Antarktis.

Dafür bohrten die Forscher in der Antarktis mehr als 1.000 Meter tief in das Eisschild und zapften den neun Kilometer langen und 15 Meter tiefen „Mercer Subglacial Lake“ an. In Grönland entnahmen sie Proben aus einem Schmelzwasserfluss unter dem Leverett-Gletscher. Im Labor filterten die Wissenschaftler die Schmelzwasser-Proben zunächst in mehreren Stufen und bestimmten dann die chemische Zusammensetzung mit massenspektrometrischen Verfahren.

Mit Spurenelementen angereichert

Das Ergebnis: In den Schmelzwässern unterhalb der Eismassen werden enorme Mengen an Spurenelementen freigesetzt – viel mehr als zuvor angenommen. Hawkings und seine Kollegen wiesen beispielsweise nach, dass der Wert für gelöstes Eisen im antarktischen Mercer-See ein Milligramm pro Liter beträgt – und nicht die angenommenen fünf Mikrogramm.

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Auch die Konzentrationen anderer Spurenelemente wie Titan, Aluminium, Cadmium oder Nickel übertreffen die typischerweise in Flüssen und Ozeanen gemessenen Werte um ein Vielfaches. „Die Eisschilde exportieren über ihre Schmelzwässer demnach global signifikante Mengen an Spurenelementen“, schreiben Hawkings und sein Team. „Sie sollten daher als wichtige Komponente der polaren biogeochemischen Spurenelemente-Kreisläufe betrachtet werden.“

Silikatverwitterung unterm Eis

Und noch etwas ergaben die Analysen: Ein Großteil der Spurenelemente im subglazialen Schmelzwasser stammt offenbar aus der Verwitterung von Silikatgestein, wie unter anderem erhöhte Gehalte von Vanadium, Aluminium, Nickel, Chrom und anderen für diese Gesteine typischen Elemente belegen. „Dies kontrastiert mit älteren Annahmen, nach denen die Silikatverwitterung unter Gletschersystemen wenig signifikant ist – auch weil Talgletscher typischerweise geochemische Signaturen der Karbonat-Verwitterung aufweisen“, erklären die Forscher.

Vor allem für den grönländischen Eisschild sehen sie die mögliche Ursache dieser Unterschiede darin, dass der Untergrund dort weniger Karbonate als in Gebirgsregionen enthält und/oder dass die längere Verweildauer des Schmelzwassers dort auch die Minerale verwittern lässt, die sich normalerweise langsamer lösen.

Dünger für den Südozean

Die Ergebnisse bestätigen, dass das Schmelzwasser eine entscheidende Rolle für den Nährstoffkreislauf der polaren Meere und vor allem für den Südozean spielt. Dieser hat zwar genügend Nährstoffe in Form von Stickstoff und Phosphor, ist jedoch in weiten Teilen arm an Eisen, was das Wachstum von Phytoplankton begrenzt. Jetzt zeigt sich, dass das antarktische Eisschild über sein Schmelzwasser zumindest die Küstenregionen des Südozeans auf natürliche Weise mit Eisen düngt

„Lange Zeit hat man angenommen, dass Spurenelemente in den vereisten Regionen der Erde in so geringen Mengen vorkommen, dass sie für globale Kreisläufe kaum von Bedeutung sind“, erklärt Hawkings. „Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass Eisschilde für die regionale Mobilisierung der Spurenelemente eine Schlüsselrolle spielen könnten.“ In weiteren Forschungsarbeiten will das Team klären, wie sich die Nährstoffzufuhr in den Ozeanen verändert, wenn das Eis im Zuge der Klimaerwärmung noch schneller schmilzt. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, doi: 10.1073/pnas.2014378117)

Quelle: Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

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