Knapp 1200 Kilometer südlich des Nordpols, westlich der norwegischen Inselgruppe Spitzbergen: Carina Engicht gibt einen Code in die Steuereinheit des Hydrophons ein, das unter dem Kiel der Merian hängt. Um den Auslöser in gut 2000 Meter Tiefe nach rund 24 Monaten aus dem Schlafmodus zu wecken. Dann entsichert sie. Wenige Sekunden später springt kurz über dem Meeresboden ein kleiner Motor an und löst den Haken, der den Auslöser mit tonnenschweren Eisenbahnrädern verbindet.
Zur gleichen Zeit sucht Expeditionsleiter Wilken-Jon von Appen auf der Brücke gespannt die Meeresoberfläche ab. Es geht um Messgeräte im Wert von einigen Hunderttausend Euro und um unbezahlbare Daten, die dem Meeresphysiker etwas über den Wandel nördlich des Polarkreises erzählen. Wenige Hundert Meter voraus tauchen plötzlich die ersten Auftriebskörper in den Wellen auf. Mit den roten Kugeln ist eine zwei Kilometer lange Leine an die Oberfläche gelangt, dazu zahlreiche Sensoren mit vollen Datenspeichern.
Sie sind angetrieben von wissenschaftlicher Neugierde und Sehnsucht nach Abenteuer
Auf das Deck des Forschungsschiffs wird eine Verankerung gehievt, eine von 13 entlang des 79. Breitengrads, quer über die Framstraße. Die zwischen Spitzbergen und Ostgrönland verlaufende Meerenge ist zum Teil von Eis bedeckt und die wichtigste Verbindung des arktischen Ozeans mit den subpolaren Meeren. Seit 1997 zeichnen dort Instrumente des Alfred-Wegener-Instituts sowie des norwegischen Polarforschungsinstituts 365 Tage im Jahr Temperatur, Salzgehalt und Strömungsgeschwindigkeit auf.
"Unsere Daten zeigen, dass sich das Wasser in dieser Zeit um ein Grad erwärmt hat", sagt AWI-Wissenschaftler von Appen. Es sind weitere Belege für einen inzwischen offenbar nicht mehr umzukehrenden Prozess: den Verlust des lange als ewig geltenden Eises im nördlichen Polarmeer und den Eintritt in ein neues Klimaregime.
Seit gut zwei Jahrzehnten schwindet das sommerliche Meereis in der Arktis in atemberaubendem Tempo, weil sich der Planet jenseits des Polarkreises mehr als doppelt so schnell aufheizt wie im globalen Mittel. Im Sommer 2020 schrumpfte die Meereseisfläche auf den zweitniedrigsten Wert seit Beginn der Satellitenmessungen im Jahr 1979, sodass das Forschungsschiff Polarstern Mitte August im Rahmen der Mosaic-Expedition mühelos den Nordpol erreichte. Bald schon könnten dorthin nicht mehr nur Eisbrecher vordringen: Einer aktuellen Studie zufolge dürfte die sommerliche Arktis noch vor 2050 eisfrei sein, selbst wenn es gelänge, den weltweiten CO₂-Ausstoß drastisch zu reduzieren.
Das Forschungsschiff Maria S. Merian im Isfjord vor Longyearbyen, Spitzbergen.
(Foto: Tim Kalvelage)Während die Polarstern im Sommer 2020 an einer Scholle angedockt im arktischen Ozean treibt, sind zwölf Wissenschaftler und Techniker des Alfred-Wegener-Instituts und der Universität Bremen mit der Merian nur wenige Hundert Kilometer weiter südlich unterwegs. Das Team um Appen muss in der Framstraße unter anderem einige Verankerungen austauschen. Nach zwei Jahren in bis zu minus zwei Grad kaltem Wasser sind die Batterien der Instrumente bald erschöpft.
Dabei hatte die Expedition im Frühjahr vor dem Aus gestanden. Als das Coronavirus begann, sich rasant um den Globus zu verbreiten, der internationale Flugverkehr einbrach, Landesgrenzen und Häfen geschlossen werden mussten, kam auch die Meeresforschung größtenteils zum Erliegen. Die Pandemie durchkreuzte Appens Plan, mit dem deutschen Forschungsschiff Heincke von Spitzbergen aus die Framstraße zu erreichen.
Erst im letzten Moment erhielt er grünes Licht für die Expedition - und ein neues Schiff: die Maria S. Merian, gebaut für die Forschung in der Eisrandzone. Sie hatte zuvor aufgrund des Virus aus dem Südatlantik die Heimreise antreten müssen. "Wir hatten Glück im Unglück", so Appen. Er und sein Team dürfen Ende Juni nach einer mehrtägigen Hotelquarantäne und negativem Corona-Test in Emden an Bord der Merian. Wenig später nehmen sie Kurs in Richtung Arktis.
Was passiert, wenn immer mehr Eis schmilzt – wie etwa hier vor der Küste Grönlands?
(Foto: Tim Kalvelage)Die Überfahrt in das Forschungsgebiet ist stürmisch, in den ersten Tagen bleibt in der Messe während der Mahlzeiten so mancher Stuhl frei. Meeresforscher - das zeigt die Expedition - sind nicht immer seefest. Trotzdem nehmen sie die mehr als einmonatige Reise auf sich. Angetrieben von wissenschaftlicher Neugierde, der Sehnsucht nach Abenteuer und dringend benötigten Antworten zu den Auswirkungen der Klimakrise.
Neben dem routinemäßigen Austausch der verankerten Messgeräte wollen die Forscher die Prozesse in der Eisrandzone der Framstraße untersuchen. Dahinter steht die große Frage, wie sich das arktische Ökosystem verändert, wenn das Meereis schwindet. Welche Planktonspezies florieren in dem neuen Lebensraum? Was bedeutet der Wandel für den Kohlenstoffkreislauf und Organismen weiter oben in der Nahrungskette?
Außerdem geht es den Forschern um das Schicksal grönländischer Küstengletscher und das Abbremsen der Zirkulation im Atlantik, die nicht nur unser Klima maßgeblich beeinflusst. Für den Eisrückgang in der Arktis sorgt neben dem Aufheizen der Atmosphäre eine zunehmende Salz- und Wärmezufuhr aus dem Atlantik. Diese wirbelt die stabile Schichtung im arktischen Ozean durcheinander - also relativ salzarmes, leichtes Polarwasser über sehr salzigem, schwerem Atlantikwasser. Die Folge: Das Oberflächenwasser isoliert die Schollen nicht mehr ausreichend gegenüber dem wärmeren Tiefenwasser, sie schmelzen schneller, und es bildet sich weniger Neueis. Forscher sprechen von der "Atlantifizierung" der Arktis. Die Salzzufuhr in die Arktis also steigt, weil mehr Atlantikwasser über die Framstraße einströmt. Gleichzeitig sinkt der Salzgehalt in Teilen des Nordatlantiks; unter anderem aufgrund des dort einströmenden salzarmen grönländischen Schmelzwassers.
Es bläst ein kräftiger Wind, dichter Nebel dimmt die nächtliche Sonne
Eine Schlüsselregion für diese Transformation ist die Framstraße: das Tor zum arktischen Ozean. Drei Viertel des Wasseraustauschs der Arktis erfolgen über die etwa 350 Kilometer breite und 2700 Meter tiefe Meerenge. Zudem treiben jährlich etwa zehn Prozent des arktischen Meereises an der westlichen Framstraße in die Grönlandsee. Im Osten hingegen bleibt sie ganzjährig weitestgehend eisfrei. Dafür sorgt eine Strömung, die Atlantikwasser am norwegischen Schelf entlang Richtung Norden transportiert. Auf seiner Reise kühlt das Wasser ab und gewinnt an Dichte, sodass es sich auf Höhe des 80. Breitengrads unter das Polarwasser schiebt. Ein Teil des Atlantikwassers allerdings macht in der Framstraße einen U-Turn, um anschließend in einigen Hundert Metern Tiefe wieder nach Süden zu fließen, vorbei an der Ostküste Grönlands.
Wie viel Wasser die nördliche oder die südliche Route nimmt, ist bislang unklar. Die Forscherinnen und Forscher würden es gerne wissen, um den Wärmetransport in die Arktis präzise bestimmen zu können, sagt Appen. "Dafür nehmen wir eine Schmelzwasserfront unter die Lupe", sagt der 36-Jährige. Denn: "Die Zirkulation verläuft primär horizontal."
"Drei, zwei, eins und los!" Auf Appens Kommando löst AWI-Technikerin Carina Engicht die Bremse der Winde und lässt die Sonde - etwa so groß wie ein Baseballschläger - Richtung Meeresgrund sinken. Seit zwei Stunden stehen die Forscher in Polaranzügen am Heck der Merian. Es bläst ein kräftiger Wind, dichter Nebel dimmt die nächtliche Sonne, die zu dieser Jahreszeit hier oben nicht untergehen will. Während das Forschungsschiff die wenige Kilometer entfernte Meereiskante entlangfährt, misst die Sonde in 80 Sekunden freiem Fall Temperatur und Salzgehalt der oberen Wassersäule. Dann spult die Winde die Befestigungsleine surrend wieder auf, und das Spiel beginnt von vorne.
fließen nach Angaben des Alfred-Wegener-Instituts für Meeresforschung im Durchschnitt durch den Westspitzbergenstrom in Richtung Norden - pro Sekunde. Wäre der Bodensee eine große Badewanne, bräuchte man gerade mal zwölf Minuten, um sie mit dieser Wassermenge komplett zu füllen.
Etwa zehn Meter entfernt wartet Zerlina Hofmann auf das Zeichen, eine von 21 Treibbojen aussetzen zu dürfen. "Mit der Boje markieren wir die Schmelzwasserfront, um diese verfolgen zu können", sagt sie und streift sich ein zweites Paar Handschuhe über. Die Boje hat einen Satellitensender, der regelmäßig seine Position an das Schiff sendet. Ein Bremsschirm verhindert, dass sie vom Wind abgetrieben wird. Sie soll mit der Strömung driften. Kurz darauf wirft die Meeresphysikerin den gelben Schwimmkörper über Bord, der rasch im Nebel verschwindet.
Laut Weltklimabericht hat das ozeanische Förderband bereits an Kraft verloren
Am darauffolgenden Tag liegt die See ruhig unter einem nahezu wolkenlosen Himmel, als die Merian einige der Bojen passiert. Binnen weniger Kilometer klettert die Wassertemperatur plötzlich um mehrere Grad. Auf dem Schiffsradar erscheinen Muster, die zunächst Treibeis vermuten lassen. Aber Schollen sind keine in Sicht. Stattdessen durchziehen glatte Schlieren die Meeresoberfläche.
"Wir überfahren gerade die Front", sagt Appen auf der Brücke. "Das Atlantikwasser schiebt sich hier unter das Schmelzwasser." Die vertikale Strömung hinterlässt dabei an der Oberfläche offenbar einen öligen Film an organischen Verbindungen, die beispielsweise Plankton produzieren und die wegen des positiven Auftriebs nicht mit in die Tiefe sinken.
Ein wichtiger Faktor für die Zirkulation ist die Dichte des Meerwassers, sagt AWI-Doktorandin Zerlina Hofmann: "Trifft salzreiches Atlantikwasser auf salzarmes Schmelzwasser, erzeugt das ein starkes Dichtegefälle. Leichtes Schmelzwasser auf der einen und schweres Atlantikwasser auf der anderen Seite sorgen für eine instabile Schichtung." Deshalb tauche letzteres ab.
Wie die Daten des AWI zeigen, steigt die Temperatur der in die Arktis strömenden Wassermassen. Die Erwärmung des Atlantikwassers lässt das Meereis schmelzen und hat vermutlich weitreichendere Folgen: Schweres, salzreiches Wasser, das in der Framstraße kehrtmacht, schwappt hinein in die Tiefe des Nordatlantiks. Anschließend strömt es in Bodennähe Richtung Äquator. Doch je wärmer es wird, desto geringer dessen Dichte und desto schleppender sinkt es ab.
Diese sogenannte Tiefenwasserbildung ist eine wichtige Komponente des Golfstromsystems, das kaltes Wasser nach Süden und karibische Wärme nach Norden transportiert und damit Westeuropa ein vergleichsweise mildes Klima beschert. Laut Weltklimarat hat dieses ozeanische Förderband bereits an Kraft verloren und wird sich in den kommenden Jahrzehnten wahrscheinlich weiter verlangsamen. Dass die Umwälzzirkulation und damit der Golfstrom komplett versiegen, gilt als unwahrscheinlich, jedenfalls für das 21. Jahrhundert. Dennoch könnte die weitere Abschwächung Folgen haben: vermehrte Trockenheit in der Sahelzone oder ein beschleunigter Eisverlust in der Antarktis.
Studien zeigen, dass neben der Ozeanerwärmung auch eine Abnahme des Salzgehalts die Tiefenwasserbildung im Nordatlantik abbremst. Verantwortlich dafür ist unter anderem der Rückzug der grönländischen Küstengletscher, wodurch gewaltige Mengen Süßwasser ins Meer fließen.
Das Schmelzen wiederum wird durch immer wärmeres Atlantikwasser verstärkt. Erst kürzlich ist eine mehr als 100 Quadratkilometer große Eisfläche vom mächtigsten Küstengletscher der Insel abgebrochen. Dessen Eisschelf hat seit 2001 erheblich an Masse eingebüßt, weil die Temperatur an der Unterseite steigt.
Nicht zuletzt aufgrund der Bedeutung für das globale Klima und den Meeresspiegelanstieg sei es wichtig, die Strömungen in der Framstraße genauer zu verstehen, sagt Wilken-Jon von Appen: "Unsere Ergebnisse könnten helfen, Prognosen für den Ozean auf der Basis von Computermodellen zu verbessern, die kleinräumige Zirkulationsmuster bislang nicht auflösen."
Darüber hinaus ist die Eisrandzone der Framstraße für die Forschenden auf der Merian auch eine Art Modellregion, die einen Blick auf die Zukunft des arktischen Ökosystems erlaubt. Denn mit dem Rückzug des sommerlichen Meereises in die zentrale Arktis wandert die Eiskante durch ein immer größeres Gebiet. Welchen Einfluss hat das auf die Nahrungskette und die Stoffkreisläufe im Nordpolarmeer?
Im Labor des Forschungsschiffs sitzt Expeditionsleiter Appen vor einer Wand aus Bildschirmen, auf denen Kurven in verschiedensten Farben auf- und abwandern. 13 Laptops verarbeiten den enormen Datenstrom eines knallgelben Messschlittens, den die Merian hinter sich herzieht. Tagelang haben er und sein Team das Hightech-Gerät getestet und sich mit Softwareproblemen herumgeschlagen. Sie hatten die Hoffnung bereits aufgegeben, es wie geplant einsetzen zu können.
Doch nun liefert das Gerät dort, wo Atlantik und Arktis aufeinanderprallen und sich die Eigenschaften des Meerwassers sprunghaft ändern, Daten in früher kaum erreichter Auflösung. Der Messschlitten taucht ab und auf. Sensoren zeichnen dabei minutiös Schwankungen von Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit oder Nährstoffgehalt auf.
Mehrmals fährt die Merian ein enges Raster ab, das die Forscher mit den Treibbojen markiert haben. Als das Schiff diese wieder einmal kreuzt, schießt die Trübungskurve plötzlich nach oben - Anzeichen für eine hohe Dichte an Mikroalgen. "Das Phytoplankton profitiert offenbar davon, dass nitratreiches Wasser aus tieferen Schichten an die Oberfläche gelangt", sagt Appen. Bereits auf einer früheren Reise beobachteten er und andere Forschende des AWI, dass Phytoplankton an der Grenze zwischen atlantischem und polarem Wasser besonders gut gedeiht.
Erkenntnisse der Expedition, wie die Zirkulation den Nährstoffgehalt und damit die Produktivität erhöht, sind für das Nordpolarmeer insgesamt relevant. Mikroalgen wandeln in der Arktis heute mehr als 50 Prozent mehr CO2 in Biomasse um als gegen Ende der 1990er-Jahre - weil immer größere Flächen immer länger eisfrei bleiben und aufgrund einer stärkerem Durchmischung mehr Nährstoffe an die Oberfläche gelangen. Der arktische Ozean wird infolge des Klimawandels also womöglich produktiver. Denn: Wo mehr Algen wachsen, gibt es für Zooplankton, Fische, Robben und Wale mehr zu fressen.
Dazu könnte absinkende Planktonbiomasse dafür sorgen, dass mehr CO2 in der Tiefsee gespeichert wird. Neben der Zunahme des Phytoplanktons ist im Zuge der "Atlantifizierung" des arktischen Ozeans ein weiterer Trend erkennbar: Das Artenspektrum verschiebt sich - statt der für die Polarregionen typischen Kieselalgen findet man immer öfter atlantische Arten in den nördlichsten Gewässern.
"In der Barentssee etwa gibt es vermehrt Blüten von Kalkalgen, deren Verbreitungsgrenze eigentlich weiter südlich liegt", sagt Julia Oelker vom Institut für Umweltphysik der Universität Bremen. Die 31-Jährige entwickelt Algorithmen, mit deren Hilfe sich aus Satellitendaten die Menge und Artenzusammensetzung des Phytoplanktons bestimmen lassen.
Morten Iversen, Professor für Partikelsedimentation an der Universität Bremen und sein Team untersuchen, wie effizient das CO2, das Phytoplankton an der Oberfläche in Biomasse umwandelt, in die Tiefsee gelangt. Mithilfe einer Unterwasserkamera bestimmen sie Art und Größe von Partikeln in der Wassersäule. Sie setzen Treibfallen aus, die absinkendes organisches Material in Plastikrohren auffangen, in bis zu 400 Metern Tiefe. Auf diese Weise können sie ermitteln, wie viel Kohlenstoff dort unten ankommt.
Ungünstige Winde haben die Eisschollen verschoben, sie drohen das Schiff einzuschließen
Gerade ist ihr "Snow Catcher" wieder an Deck gehievt worden. Das mannshohe, zylinderförmige Gerät erlaubt es, die fragilen Meeresschneeflocken unversehrt zu fangen.
"Je langsamer Meeresschnee sinkt, desto mehr Zeit bleibt Bakterien, die Algenbiomasse zu recyceln, bevor sie die Tiefsee erreicht", sagt Morten Iversen. "Nur wenn Partikel mehr als einen Kilometer Tiefe erreichen, ist der Kohlenstoff für mehrere Hundert Jahre im Ozean gespeichert."
Der Meeresbiologe glaubt, dass die Erwärmung der Arktis und die Verschiebung im Artenspektrum auch den Kohlenstoffkreislauf verändern könnten: Der effiziente Transfer organischen Materials in die Tiefsee durch schnell sinkende Kieselalgen könnte abgelöst werden von einem System, in dem Meeresschnee von Bakterien in der oberen Wassersäule größtenteils recycelt und CO2 wieder freigesetzt wird. Trotz größerer Produktivität an der Oberfläche fiele so auch weniger Nahrung für Seesterne, Seegurken und Kleinstlebewesen am Meeresgrund ab.
Nach einer Woche hat die Strömung die Treibbojen zum Teil 80 Kilometer weit getragen. Einige aber haben ihre Position kaum verändert und markieren noch immer die Front, an der das Atlantikwasser unter das Schmelzwasser taucht. Wilken-Jon von Appen sieht seine Hypothese bestätigt, dass die vertikale Zirkulation der Eisrandzone ein Schlüssel ist, den Wärmetransport sowie die Stoffkreisläufe in der Framstraße zu verstehen.
Auf ihrer Rückreise nach Emden wird die Merian einen Umweg machen und den Scoresby Sund ansteuern, den größten Fjord der Erde. Dieser verästelt sich auf der Mitte der grönländischen Ostküste mehrere Hundert Kilometer ins Inselinnere. AWI-Forscher haben dort vor zwei Jahren ebenfalls Sensoren am Meeresboden verankert, die geborgen werden sollen. Doch die Einfahrt in den Fjord wird der Expedition verwehrt bleiben: Ungünstige Winde haben die Eisschollen vor der Mündung so dicht zusammengeschoben, dass die Merian droht, in einem Meer aus Weiß eingeschlossen zu werden.
Zum Schluss erscheint sie den Wissenschaftlern noch einmal in ihrer ganzen Pracht und rauen Wildheit: die Arktis, die wie keine andere Region der Erde im Zuge der Klimakrise einen rasanten Wandel erlebt.
Diese Recherche wurde vom Wissenschafts-Pressekonferenz-Recherchefond gefördert.
