Das Vernachlässigen organischer Alkalinität führt zu größeren Fehlern als die Annahme konstanter Bor/Salz-Verhältnisse bei Berechnungen des Karbonatsystems in arktischem Meereisbrine

Warum winzige Bestandteile im Meereis wichtig sind

Der Arktische Ozean ist eines der aktivsten Tore der Erde für die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Atmosphäre, und Meereis spielt dabei eine überraschend aktive Rolle. Wissenschaftler beschreiben dieses Verhalten meist mit einem chemischen Maßstab namens Alkalinität, der widerspiegelt, wie gut Meerwasser Säuren puffern und Kohlenstoff binden kann. Traditionell ging man davon aus, dass dieses Maß fast ausschließlich von einfachen gelösten Salzen und Mineralien bestimmt wird. Diese Studie zeigt, dass in arktischem Meereis ein kleines, bisher oft übersehenes Teil der Alkalinität, das mit organischem Material verknüpft ist, unsere Schätzungen darüber, wie viel CO2 das Eis–Ozean-System tatsächlich aufnimmt, still und deutlich verfälschen kann.

Salzwasser, gefrorene Ozeane und verborgene Organika

Wenn Meerwasser gefriert, bilden sich reine Eiskristalle und drücken salzige Flüssigkeit—Brine—aus, die in engen Kanälen im Eis eingeschlossen bleibt. Diese Brine-Taschen enthalten nicht nur Salz, sondern auch gelöste organische Substanz—komplexe, kohlenstoffreiche Verbindungen von mikroskopischen Pflanzen, Bakterien und Flüssen, die in die Arktis münden. Frühere Arbeiten deuteten an, dass solche Organika die Alkalinität in einigen küstennahen Meeren leicht beeinflussen könnten, doch ihre Rolle im polaren Meereis war bislang schlecht dokumentiert. Gleichzeitig wird ein anderer Bestandteil der Meerwasserchemie, das Element Bor, häufig allein aus der Salinität abgeschätzt, obwohl es davon abweichen kann. Die Autoren setzten sich zum Ziel, sowohl organische Beiträge als auch Bor direkt im östlichen arktischen Meereis und den benachbarten Gewässern zu messen, um zu prüfen, welche Unsicherheit für CO2-Berechnungen wichtiger ist.

Was die Expedition im Eis beprobt hat

Während einer Forschungsreise 2023 in der Framstraße und dem zentralen Arktischen Ozean sammelte das Team 140 Proben aus Schnee, Meereiskernen, schlammigem Oberflächenwasser, Brine aus Löchern im Eis sowie Wasser unter und zwischen Eisschollen. Sie bestimmten den gelösten organischen Kohlenstoff (DOC), um die Menge an organischem Material zu erfassen, und verwendeten eine spezielle Rücktitrationsmethode, um zu quantifizieren, wie viel der gesamten Alkalinität tatsächlich organische Alkalinität war. In einer Untergruppe von Proben lagen zudem präzise Messungen von pH, gelöstem anorganischem Kohlenstoff und Bor vor, sodass sie testen konnten, wie das Einbeziehen oder Ignorieren von Organika und gemessenem Bor zentrale Parameter des Karbonatsystems veränderte, etwa den partiellen Druck von CO2 (pCO2) und die Neigung von Calciumcarbonat-Mineralen zu lösen oder zu bilden.

Organische Alkalinität: kleiner Anteil, große Wirkung

Brine-Proben fielen als Hotspots sowohl für DOC als auch für organische Alkalinität auf. Im Mittel trugen Organika nur etwa 0,1–1,0 % zur gesamten Alkalinität bei—scheinbar ein winziger Anteil—doch das reichte aus, um die berechnete Karbonatchemie spürbar zu verschieben. Das Verhältnis von organischer Alkalinität zu DOC entsprach Werten aus anderen organikreicheren, eisbeeinflussten Meeren wie der Ostsee, was auf ein ähnlich breites Verhalten dieser Verbindungen in sehr unterschiedlichen Regionen hindeutet. Wenn die Forschenden die Alkalinität um den organischen Anteil korrigierten und die Karbonatparameter neu berechneten, stieg das berechnete pCO2 in Brine um bis zu 84 Mikroatmosphären, während der Sättigungszustand für Calciumcarbonat-Minerale (wichtig für schalenbildende Organismen) um bis zu 0,2–0,3 Einheiten sank. Anders ausgedrückt: Die Brine wirkte weniger bereit, Minerale aufzubauen, und stärker mit CO2 belastet, als Standardberechnungen vermuten ließen.

Bor versus Organika: welche Unsicherheit ist bedeutender?

Da frühere Arbeiten in derselben Gegend gezeigt hatten, dass Bor nicht immer seiner üblichen Kopplung an die Salinität folgt, verglich das Team zwei Fehlerquellen direkt miteinander: die Verwendung eines standardisierten Bor–Salinitäts-Verhältnisses gegenüber gemessenem Bor sowie das Einbeziehen gegenüber dem Weglassen organischer Alkalinität. Sie führten Modellrechnungen durch, in denen sie nur Bor, nur Organika oder beides änderten und dabei stets von denselben Messungen des gelösten anorganischen Kohlenstoffs und der Alkalinität ausgingen. Abweichungen durch die standardmäßige Bor-Annahme waren moderat: pCO2 verschob sich höchstens um etwa 5 Mikroatmosphären, und Änderungen von pH und Mineralsättigung blieben gering. Im Gegensatz dazu führte das Vernachlässigen organischer Alkalinität systematisch zu unterschätztem pCO2 (was das Wasser fälschlich als aufnahmefreudiger gegenüber atmosphärischem CO2 erscheinen ließ) und zu überschätzter Mineralsättigung. Beim Vergleich verschiedener Vorgehensweisen zur Berechnung von pCO2 aus denselben Proben ergab sich die beste Übereinstimmung bei Methoden, die explizit organische Alkalinität einbezogen—ein Hinweis darauf, dass selbst kleine organische Beiträge die innere Konsistenz verbessern.

Was das für die CO2-Aufnahme in der Arktis bedeutet

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das Ignorieren organischer Alkalinität in arktischer Meereis-Brine und den darunter liegenden Gewässern weit größere Fehler in Karbonatsystem-Berechnungen einführt als die Annahme, Bor folge stets seiner üblichen Beziehung zur Salinität. Da die meisten bisherigen Abschätzungen des CO2-Austauschs in diesen Regionen auf alkalinitätsbasierten Berechnungen beruhten, die Organika ausließen, überschätzen sie wahrscheinlich, wie stark Meereis und Untereisgewässer atmosphärisches CO2 aufnehmen—insbesondere während des Frühjahrsschmelzens, wenn organikreiche Brine freigesetzt wird. Die Autoren plädieren dafür, dass künftige Polarexpeditionen entweder sehr präzises pH messen oder direkt organische Alkalinität ermitteln—und zumindest den gelösten organischen Kohlenstoff als Proxy verfolgen sollten—um arktische Kohlenstoffbilanzen und Vorhersagen zur Ozeanversauerung besser einzuschränken.

Zitation: Rush, S., Lee, CH., Lee, K. et al. Neglecting organic alkalinity introduces greater error than assuming boron to salinity ratios in Arctic sea ice brine carbonate system calculations. Sci Rep 16, 9393 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39719-6

Schlüsselwörter: Arktisches Meereis, organische Alkalinität, Kohlenstoffdioxid-Aufnahme, gelöster organischer Kohlenstoff, Karbonatchemie