Spatial variability of Arctic sea ice algae

Abstract

The most pronounced effects of global climate change have been experienced in the Arctic region. In particular, Arctic sea ice decline and volume loss have emphasized the impeding threat of continued climate change, and have been center stage in the public eye for over a decade. Many of the observed changes in the Arctic are related to the physical system because these parameters, such as sea ice extent and thickness, are more easily observed from space and airborne platforms. The linkage between ecosystem function and its physical environment is clear from all well investigated systems. This undoubtedly means that the observed changes to the physical system have had an equally dramatic impact on the Arctic ecosystem. Our understanding of the Arctic marine ecosystem, however, is severely limited due to the methodological and logistical constraints of monitoring ecological properties. This has caused significant seasonal and geographical knowledge gaps, particularly in the high (> 80ºN) and central Arctic Ocean. Over the past decades a disproportional emphasis has been put on the importance of primary production (PP) and the availability of food in the water column. Observations have indicated an overall increase in Arctic-wide net primary production (NPP) as a result of a thinning and declining sea ice cover, and increasing duration of the phytoplankton growth season. This increased biomass may suggest a corresponding increase in the biomass of consumers and higher trophic levels. This premise, however, neglects the rather important role that the sea ice environment and sea ice algae play in the Arctic food web. The timing, duration and spatial availability of ice algae are drastically different compared to pelagic phytoplankton. Therefore, it is only by first gaining a better understanding of the base of the Arctic food web that we can start to understand the rest of the food web. Throughout this thesis, we aimed to assess how sea ice algae biomass availability and habitat will be affected by continued changes to the sea ice habitat, and what consequences can be expected for the Arctic food web. This was accomplished by developing novel methodologies and approaches to characterize and quantify the spatial variability of sea ice algae-biomass, -primary production and –habitat. Subsequently, we used this toolset to assess the implications of a rapidly changing sea ice habitat in relation to spatial variability of sea ice algae carbon availability and carbon demand by ice-associated organisms. In Chapter 2, we developed a methodological toolbox to process environmental sensor array observations acquired from under-ice profiling platforms (e.g., Remotely Operated Vehicle – ROV, and the Surface and Under-Ice Trawl – SUIT), which included novel mathematical and statistical approaches to representatively capture the spatial variability of sea ice and under-ice physical-biological properties. We showed that our developed approaches produced observations, which could capture the spatial variability better than traditional point location characterizations of environmental properties. Specifically, the insufficient spatial representativeness of sea ice-algal biomass can cause biases in large-scale ice algal biomass and PP estimates.

In Chapter 3, we further developed upon Chapter 2 methodologies by introducing a new approach to estimate primary production on floe-scales (meters to kilometers), further justifying the need for representative ice-algae biomass and PP estimates. We also showed that the sea ice environment and under-ice water properties played an important role in structuring the under-ice community. Furthermore, we indicated that ecological key species of the central Arctic Ocean thrived significantly on carbon synthesized by ice algae. These results highlighted the key role of sea ice as a habitat and as a feeding ground within the Arctic Ocean. In Chapter 4, we aimed to compare the physical-biological properties of multi-year sea ice (MYI) and first-year sea ice (FYI) to provide some insight into how the Arctic will change with the continued replacement of MYI by FYI. We developed and confirmed the hypothesis that thick MYI hummocks do have the potential to host substantial ice algae biomass and identified hummocks as common and permanent features, which represent a reliable habitat for sea ice algae due to the typically thin or absent snow cover. We developed key physical-biological relationships to classify the springtime spatial variability of sea ice algae habitat for both FYI and MYI. We applied this classification to pan-Arctic ice thickness and snow observations, and showed that MYI is substantially under-estimated in terms of suitable habitat. Furthermore, we identified thick sea ice features, such as MYI hummocks and sea ice ridges, as potentially high biomass regions with great ecological value. We also indicated that the thicker sea ice, which remains in late-summer, has reduced melt-induced algal losses. In conclusion, we developed a robust and novel approach to representatively quantify sea ice environmental properties, and sea ice algae biomass and PP at floe-scales. These estimates resulted in more accurate estimates of overall carbon biomass availability and production, which we used to improve the spatial variability of the ice-algae derived carbon budget. We concluded that there was a large mis-match between ice-algal primary produced carbon and ice-algal carbon demand by dominant species. This mis-match was also accompanied by large regional variability. This was expected during our sampling period since production was shutting down. Taking a different approach, we showed that the standing stocks of ice-algal carbon were quite substantial. These results suggest that during late-summer, when primary production shuts down, the remaining ice-algal biomass in high latitude regions may represent a crucial food source to sustain ice associated organisms during the onset of polar night. Altogether, the continued thinning and loss of thicker sea ice features may result in the loss of a reliable carbon supply, in the form of sea ice algae carbon, at key times of the year when other carbon sources are severely limited.

In der Arktis sind die Auswirkungen des globalen Klimawandels so deutlich spürbar wie in nur wenigen anderen Regionen der Welt. Insbesondere Rückgang und Volumenverlust des Meereises stehen schon seit über einer Dekade im Mittelpunkt des öffentlichen Interesses. Viele der beobachtenden Veränderungen in der Arktis beziehen sich auf das physikalische System, da Parameter wie Meereisausdehnung und-dicke leichter aus dem All und aus Flugzeugen abgeschätzt werden können. Die physikalischen Veränderungen können sich ohne Zweifel auf ebenso drastische Weise auch auf das Arktische Ökosystem auswirken. Unser Wissen über das Arktische marine Ökosystem ist jedoch lückenhaft, da die methodischen und logistischen Möglichkeiten zur Erfassung wichtiger ökologischer Parameter eingeschränkt sind. So existieren auch heute noch erhebliche Wissenslücken in den hoch-arktischen Regionen (> 80°N) des zentralen Arktischen Ozeans. In jüngerer Zeit stand vor allem die Bedeutung der Primärproduktion (PP) und der Nahrungsverfügbarkeit in der Wassersäule im Fokus der ökologischen Forschung in der Arktis. Aus Beobachtungen wurde eine allgemeine Zunahme der Nettoprimärproduktion (NPP) in der gesamten Arktis abgeleitet, welche aus dem Rückgang der Dicke und Ausdehnung des Meereises bei gleichzeitiger Verlängerung der Wachstumsperiode des Phytoplanktons resultiert. Diese erhöhte PP könnte eine ebenfalls gesteigerte Sekundärproduktion der höheren trophischen Ebenen bewirken. Diese Annahme lässt jedoch die wichtige Rolle der Meereisalgen für das Arktische Nahrungsnetz außer Acht. Zeitpunkt, Dauer und regionale Verfügbarkeit von Eisalgenbiomasse unterscheiden sich deutlich vom pelagischen Phytoplankton. Deshalb ist es wichtig, die Basis des Arktischen Nahrungsnetzes unter Berücksichtigung des Beitrages von Eisalgen zu charakterisieren, um die Folgen von Veränderungen für das Ökosystem abschätzen zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu erforschen, wie die Verfügbarkeit und die Lebensbedingungen von Eisalgen von den kontinuierlichen Veränderungen des Meereishabitats beeinflusst werden, und welche Konsequenzen sich daraus für das Arktische Ökosystem ergeben. Hierfür wurden neuartige Methoden und Ansätze für die Beschreibung und Quantifizierung der räumlichen Variabilität der Eisalgenbiomasse, Eisalgen-PP und des Eisalgenhabitats entwickelt. Anschließend nutzten wir diese Methoden, um die Auswirkungen sich schnell verändernder Meereishabitate in Bezug auf die räumliche Variabilität des von Eisalgen produzierten Kohlenstoffs und des Kohlenstoffbedarfs eis-assoziierter Organismen abzuschätzen. In Kapitel 2 entwickelten wir einen Ansatz, der es ermöglicht, Umweltdaten von Sensoren auf Untereis-Drohnen (Remotely Operated Vehicle, ROV) und Untereis-Schleppnetzen (Surface and Under-Ice Trawl, SUIT) zu prozessieren. Dieser Ansatz beinhaltete neuartige mathematische Methoden für die repräsentative Darstellung der räumlichen Variabilität von Meereis-Umweltparametern. Wir konnten zeigen, dass die entwickelten Methoden die räumliche Variabilität dieser Parameter besser erfassen als traditionelle Punktmessungen. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass die korrekte Wiedergabe der räumlichen Variabilität von Meereis-Umweltparametern und Eisalgenbiomasse kritisch ist für eine realistische Abschätzung von Eisalgenbiomasse und PP auf regionalen und pan-arktischen Skalen. In Kapitel 3 entwickelten wir die in Kapitel 2 eingeführten methodischen Ansätze weiter, indem wir einen neuen Ansatz für die Schätzung der PP entwickelten, der die räumliche Variabilität von Eisalgenbiomasse und Meereis-Umweltparametern in Größenordnungen von 0,1 bis 5 km berücksichtigt. Wir demonstrierten weiterhin, dass die Eigenschaften der Meereisumgebung und des Habitats unter dem Eis eine wichtige Rolle für die Strukturierung der eis-assoziierten Lebensgemeinschaft spielten. Außerdem konnten wir zeigen, dass ökologische Schlüsselarten des zentralen Arktischen Ozeans einen Großteil ihres Kohlenstoffbedarfs mit eisalgen-produzierten Kohlenstoff decken. Diese Ergebnisse unterstreichen die Schlüsselrolle des Meereises als Habitat und Kohlenstoffquelle im Arktischen Ökosystem. In Kapitel 4 vergleichen wir die physikalisch-biologischen Eigenschaften von mehrjährigem Meereis (Multi-Year Ice, MYI) und einjährigem Meereis (First-Year Ice, FYI), um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie sich die Arktis verändern wird, wenn MYI zunehmend durch FYI ersetzt wird. Wir entwickelten und bestätigten die Hypothese, dass dicke MYI-Hügel das Potential haben, große Mengen Eisalgen zu beherbergen. Wir identifizierten diese Eishügel als dauerhafte Ausformungen des Eises, die aufgrund der typischerweise geringen Schneebedeckung zuverlässige Habitate für Eisalgen darstellen. Wir erstellten physikalisch-biologische Beziehungen für die Einordnung der räumlichen Variabilität des Eisalgenhabitats in MYI und FYI im Frühjahr. Diese Klassifizierung wurde dann auf die Eisdicke und Schneedickenmessungen der gesamten Arktis angewendet und zeigte, dass MYI als Habitat für Eisalgen bisher womöglich deutlich unterschätzt wurde. Weiterhin identifizierten wir Merkmale dicken Eises, wie Eishügel in mehrjährigem Eis und Presseisrücken, als potentielle Orte hoher Biomassen mit hohem ökologischem Wert. Wir konnten außerdem ermitteln, dass dickeres Eis, welches im Spätsommer bestehen bleibt, geringere schmelz-bedingte Algenverluste aufweist als dünnes FYI. Zusammenfassend entwickelten wir eine robuste und neuartige Methodik für die repräsentative Quantifizierung der ökologischen Eigenschaften des Meereises, der Eisalgenbiomasse und PP in der räumlichen Größenordnung von typischen Eisschollen (0,1 – 5 km). Diese Schätzungen ermöglichten akkuratere Abschätzungen der Verfügbarkeit und Produktion von Eisalgen-Kohlenstoff für das Arktische Nahrungsnetz. Daraus schlossen wir, dass ein großes Missverhältnis zwischen der Menge eisalgen-produzierten Kohlenstoffs und der Nachfrage dominanter Arten bestand. Dieses Missverhältnis wurde von einer starken regionalen Variabilität begleitet. Mit einem anderen Ansatz zeigten wir hingegen, dass am Ende der Wachstumsphase der Vorrat an Eisalgenbiomasse noch beträchtlich ist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass während des Spätsommers, wenn die PP dem Ende zugeht, die verbleibenden Eisalgenbestände in den hohen Breitengraden eine essentielle Nahrungsquelle bieten können, um eisassoziierte Organismen während des Beginns der Polarnacht zu versorgen. Zusammengefasst könnte das kontinuierliche Ausdünnen des Eises und der Verlust des dicken Meereises zum Verlust einer verlässlichen Kohlenstoffquelle in Form von eisalgen-produzierten Kohlenstoffs während wichtiger Perioden des Jahres führen, wenn die Verfügbarkeit anderer Kohlenstoffquellen stark limitiert ist.