Verlies van zee-ijs verandert de kleuren van het licht in de oceaan
Metingen onder het zee-ijs door een Deense collega op Groenland.
De verdwijning van zee-ijs in de poolgebieden door de opwarming van de aarde verhoogt niet alleen de hoeveelheid licht die de oceaan binnenkomt, maar verandert ook de kleur ervan. Deze veranderingen hebben verstrekkende gevolgen voor fotosynthetische organismen zoals ijsalgen en fytoplankton.
Dat is de conclusie van nieuw onderzoek gepubliceerd in Nature Communications, geleid door mariene biologen Monika Soja-Woźniak en Jef Huisman van het Instituut voor Biodiversiteit en Ecosysteemdynamiek (IBED) aan de Universiteit van Amsterdam. Het internationale onderzoeksteam, dat ook fysisch chemicus Sander Woutersen (HIMS/UvA) en samenwerkende onderzoekers uit Nederland en Denemarken omvatte, onderzocht hoe het verlies van zee-ijs de onderwaterlichtomgeving verandert.
Zee-ijs en zeewater verschillen fundamenteel in hoe ze licht doorlaten. Zee-ijs verstrooit licht sterk en weerkaatst veel ervan, terwijl slechts een klein gedeelte kan doordringen. Dit beperkte aantal lichtstralen bevat echter bijna het volledige bereik van zichtbare golflengten. Daarentegen absorbeert zeewater rood en groen licht, terwijl blauw licht diep in de waterkolom doordringt. Dit geeft de oceaan zijn blauwe kleur.
Moleculaire trillingen van water
Een ander belangrijk verschil tussen ijs en vloeibaar water ligt in de rol van moleculaire trillingen. In vloeibaar water zijn H₂O-moleculen vrij om te bewegen en te trillen, wat leidt tot de vorming van specifieke absorptiebanden bij bepaalde golflengten. Deze banden verwijderen selectief delen van het lichtspectrum, waardoor er hiaten ontstaan in het licht dat beschikbaar is voor fotosynthese.
Eerder onderzoek door Maayke Stomp en Prof. Huisman toonde aan dat deze moleculaire absorptiekenmerken “spectrale niches” creëren – unieke sets golflengten die beschikbaar zijn voor fotosynthetische organismen. Fytoplankton en cyanobacteriën hebben een diversiteit aan pigmenten ontwikkeld die zijn afgestemd op de verschillende spectrale niches, wat hun wereldwijde verspreiding in oceanen, kustwateren en meren vormgeeft.
Echter, in ijs zijn watermoleculen vergrendeld in een rigide kristalstructuur. Deze vaste structuur onderdrukt hun vermogen tot moleculaire trillingen en verandert daarmee hun absorptiekenmerken. Als gevolg hiervan mist ijs de absorptiebanden van vloeibaar water, en wordt een breder spectrum van licht onder zee-ijs behouden. Dit fundamentele verschil speelt een belangrijke rol in de spectrale verschuiving die optreedt naarmate zee-ijs smelt.
Ecologische implicaties
Als zee-ijs verdwijnt en plaatsmaakt voor open water, verschuift de onderwaterlichtomgeving van een breed spectrum kleuren naar een nauwer, blauw-dominant spectrum. Deze spectrale verandering is cruciaal voor fotosynthese. “De fotosynthetische pigmenten van algen die onder zee-ijs leven, zijn aangepast om optimaal gebruik te maken van het brede scala aan kleuren dat aanwezig is in het kleine aantal lichtstralen dat door ijs en sneeuw komt,” zegt hoofdauteur Soja-Woźniak. “Wanneer het ijs smelt, bevinden deze organismen zich plotseling in een blauw-dominante omgeving, wat minder geschikt is voor hun pigmenten.”
Door gebruik te maken van optische modellen en spectrale metingen, toonden de onderzoekers aan dat deze verschuiving in lichtkleur niet alleen de fotosynthetische prestaties verandert, maar ook kan leiden tot veranderingen in de soortensamenstelling. Algensoorten die gespecialiseerd zijn in blauw licht kunnen een sterke concurrentievoordeel krijgen ten opzichte van ijsalgen.
Volgens Prof. Huisman kunnen deze veranderingen cascade-effecten in het ecosysteem hebben. “Fotosynthetische algen vormen de basis van het voedselweb in de Arctische gebieden. Veranderingen in hun productiviteit of soortensamenstelling kunnen doorwerken en invloed hebben op vissen, zeevogels en zeezoogdieren. Bovendien speelt fotosynthese een belangrijke rol in de natuurlijke CO2-opname door de oceaan.”
De studie benadrukt dat klimaatverandering in de poolgebieden meer doet dan alleen ijs laten smelten; het veroorzaakt fundamentele verschuivingen in belangrijke processen zoals lichttransmissie en energieflow in mariene ecosystemen. De resultaten onderstrepen het belang om lichtspectra en fotosynthese explicieter op te nemen in klimaatmodellen en oceaanvoorspellingen, vooral in poolgebieden waar milieuverandering in een ongekend tempo versnelt.
