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Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 1000 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die rasch fortschreitenden Veränderungen im zentralen Arktischen Ozean erfordern grundlegende Informationen über die pelagische Fauna. Die Probenahme auf bewegliche Organismen, die vertikal gezogenen Netzen leicht entkommen, ist jedoch eine Herausforderung. Hier berichten wir über die Artenzusammensetzung und das Fanggewicht von pelagischen Fischen und größerem Zooplankton aus 12 Schleppnetzen, die im Spätsommer in eisbedeckten Gewässern im zentralen Arktischen Ozean jenseits der Kontinentalhänge durchgeführt wurden. Kombinierte Schleppnetzfänge mit akustischen Daten ergaben geringe Mengen an Fisch und Zooplankton von der advektiv beeinflussten Hangregion im Nansen-Becken im Süden bis zum eisbedeckten tiefen Amundsen-Becken im Norden. Bis 87,5° N wurden sowohl arktische als auch subarktisch-boreale Arten gefunden, einschließlich derjenigen, die als im Atlantik heimische Arten gelten. Wir fanden drei Fischarten (Boreogadus saida, Benthosema glaciale und Reinhardtius hippoglossoides), der Fang war jedoch auf nur sieben beschränkt Einzelpersonen. Euphausiiden, Amphipoden und gallertartiges Zooplankton dominierten das Fanggewicht im Nansen-Becken in den mesopelagischen Gemeinschaften. Euphausiiden kamen im Amundsen-Becken fast nicht vor; Ruderfußkrebse, Amphipoden, Chaetognathen und gelatineartiges Zooplankton dominierten. Wir postulieren asymmetrische Bedingungen in den pelagischen Ökosystemen des westlichen und östlichen Eurasischen Beckens, die durch Eis- und Ozeanzirkulationsregime verursacht werden.

Der Zentrale Arktische Ozean (CAO) wird im Sommer aufgrund der Klimaerwärmung1 zunehmend eisfrei. Auch ozeanografische Veränderungen sind im Gange, nämlich eine verstärkte Erwärmung und ein zunehmender Salzgehalt in den oberen Gewässern des Eurasischen Beckens aufgrund der flussaufwärts gelegenen Bedingungen2. Dies wird sich letztendlich auf verschiedene Weise auf das gesamte Ökosystem auswirken3,4 und es werden dramatische Veränderungen in Bezug auf das Ausmaß und die räumliche Verteilung der eisassoziierten und pelagischen Primärproduktion erwartet5,6,7. Um diese Veränderungen zu überwachen, ist es dringend erforderlich, eine Basiskartierung eines wenig erforschten Gebiets in der zentralen Arktis zu erstellen. Dies ist besonders relevant für Arten, die möglicherweise künftig befischt werden8.

Frühere Expeditionen zu eisbedeckten Gewässern im Eurasischen Becken haben damit begonnen, die Artenvielfalt und Faunadichten/Biomassemuster zu kartieren. Sie zeigten, dass Polardorsch (Boreogadus saida) und verschiedene eisassoziierte und pelagische Phytoplankton- und Zooplanktonarten an der Unterseite des Eises und in den oberen Teilen der Wassersäule unter dem Eis vorhanden sind5,9,10,11,12. Die vertikale Zonierung des Mesozooplanktons im Eurasischen Becken wurde in den letzten Jahrzehnten ebenfalls charakterisiert und synthetisiert11,12. Einige größere Organismen, wie Armhakenkalmare (Gonatus fabricii) und gallertartiges Zooplankton und Nekton, wurden gefunden11,13 sowie einzelne Exemplare von Atlantischem Kabeljau (Gadus morhua), Gletscherlaternenfisch (Benthosema glaciale) und Eiskabeljau (Arctogadus glacialis)13. Die Faunadichten und die Biomasse der kartierten Wassersäule des Eurasischen Beckens sind im Vergleich zu den arktischen Schelfgebieten und südlichen Gebieten im Allgemeinen niedrig11,12,14 aufgrund der insgesamt geringen Primärproduktion und damit der Nahrungsverfügbarkeit15,16. Das Vorkommen und die Verbreitung größerer und beweglicher Organismen wie Fische und Makrozooplankton wurden im CAO jedoch nur unzureichend beschrieben, da die Probenahme solcher Arten in eisbedeckten Gebieten große Schwierigkeiten bereitet.

Streuschichten in der mesopelagischen Zone (200–1000 m) sind in den meisten Weltmeeren allgegenwärtig17,18. Mehrere Studien, die rund um das CAO durchgeführt wurden, haben auch gezeigt, dass in diesen Regionen tiefe Streuschichten vorhanden sind19,20,21,22. Jüngste Studien bestätigen, dass eine solch tiefe Streuschicht sowohl in den eurasischen als auch in den amerikanischen eisbedeckten Becken vorhanden ist, jedoch mit viel geringerer Rückstreuenergie im Vergleich beispielsweise zum Norwegischen Meer21,23. Um vorherzusagen, wie sich der Klimawandel auf diese Organismen auswirken wird, sind Kenntnisse über die Zusammenhänge zwischen ozeanografischen Regimen und mesopelagischer Biomasse und Biodiversität erforderlich24. Die vorliegende Studie schließt diese Lücken teilweise. Unsere Hypothese war, dass pelagische Fische und großes Zooplankton in der CAO (1) im Vergleich zu weiter südlich gelegenen Regionen in geringerer Häufigkeit vorkommen und (2) in ihrer taxonomischen Zusammensetzung jüngste physikalische Veränderungen widerspiegeln, da die vorhandenen subarktisch-borealen Arten auch in die nördlichsten Teile der CAO eindringen das Eurasische Becken.

Im August–September 2021 legte die Nansen Legacy Joint Cruise 2-2 (JC2-2) mit R/V Kronprins Haakon einen Transekt von ca. zurück. 2330 km vom Nansen-Becken nordöstlich des Svalbard-Hangs bis 87,5o N an der Nordseite des Amundsen-Beckens knapp südlich des Lomonossow-Rückens25 (Abb. 1a). Die Region ist durch starkes Meereis (Konzentrationen zwischen 30 und 90 % während der Untersuchung, Abb. 1b) und einen starken Zufluss von Atlantikwasser entlang des Hangs nördlich von Spitzbergen gekennzeichnet, während die Strömung im Nansen- und Amundsen-Becken schwächer ist (Abb. 1a, C). Um unsere Hypothesen zu testen, haben wir sechs Standorte mit pelagischen Schleppnetzen beprobt, die für den Einsatz in eisbedeckten Gewässern modifiziert wurden (Abb. 1), die sowohl die epipelagische (< 200 m) als auch die mesopelagische Schicht abdecken. Dazu gehörten ein Standort etwas nördlich des Hangs im Nansen-Becken (NB1) und ein Standort in den zentralen Teilen des Nansen-Beckens (NB2), zwei Standorte auf der Süd- und Nordseite des Gakkel-Rückens (GR1 und GR2) und zwei Standorte im tiefen Amundsen-Becken (AB1 und AB2). Zusätzlich wurden an den Standorten Echolotungen bei sechs Frequenzen aufgezeichnet (Abb. 1c). Wir berichten zum ersten Mal über Fänge mit eismodifizierten Schleppnetzen in den epi- und mesopelagischen Schichten und dokumentieren, wie diese in Kombination mit akustischen Mehrfrequenzaufzeichnungen grundlegende Informationen über die ökologischen Aspekte in eisbedeckten Teilen des CAO liefern .

Pelagische Schleppnetzstationen und physikalische Bedingungen. Karte des Arktischen Ozeans (a) mit Schleppnetzstandorten () im Eurasischen Becken im September 2021. Der Fluss des Atlantischen Wassers26 ist mit dargestellt und bezeichnet die in (c) gezeigte Region. Mittlere Meereiskonzentration während der Untersuchung (b). Der rosa Pfeil bezeichnet die Transpolardrift27 und zeigt die 500 m tiefe Bodenkontur. Durchschnittliche Meeresströmungen in einer Tiefe von 25–250 m () in der Untersuchung (c). Zeigen Sie Orte an, an denen akustische Daten untersucht wurden, und zeigen Sie CTD-Stationen. Die Karten wurden mit ArcGIS Pro 2.9.5 (https://www.esri.com/en-us/arcgis/products/arcgis-pro/overview) erstellt.

Die Schleppnetz- und akustischen Probenahmen wurden in einer Region durchgeführt, die starke Gradienten im Meereis und unter ozeanischen Bedingungen aufweist (Abb. 2). Die Meereiskonzentration stieg unmittelbar nördlich von NB1 erheblich an, und NB2 und GR1 wiesen Meereiskonzentrationen zwischen 70 und 90 % auf (Abb. 2a). Die Meereiskonzentration an den drei nördlichsten Standorten überstieg 90 %. Die Meereisdrift während der Probenahme war nur mäßig, wobei die mittlere Drift hauptsächlich von Osten (Nordosten oder Südosten) nach Westen erfolgte, außer an Standort AB2 und zwischen Standort NB2 und GR1, als sie umgekehrt war (Abb. 2b).

Umweltbedingungen im Eurasischen Becken im September 2021. Mittlere Meereiskonzentration während der Untersuchung (a) und Meereisdrift zum Zeitpunkt der Probenahme (b). Mittlere Meeresgeschwindigkeit in der 25–250 m tiefen Schicht (c), Temperatur (d) und Salzgehalt (e) in den oberen 500 m. Der Teil der Wassersäule, der von den Schleppnetzen (Harstad oder Makroplankton oder beides) abgedeckt wird, ist mit (in d und e) dargestellt und die Bathymetrie ist in (f) dargestellt. Die Standorte der Schleppnetzstandorte () und CTD-Stationen () werden in allen Tafeln angezeigt.

Geschwindigkeit, Temperatur und Salzgehalt änderten sich auch nördlich von NB1 schnell (Abb. 2c – e). Ab etwa 83o N bedeckten extrem kaltes (− 1,8 °C < T < − 1,5 °C) und frisches Polarwasser die oberen 100 m. In der nördlichen Region des Nansen-Beckens und des Gakkel-Rückens trat eine ausgeprägte Salzgehaltsfront an der Oberfläche auf (Abb. 2e), und die vertikale Schichtung verstärkte sich in Richtung Norden aufgrund des abnehmenden Salzgehalts der oberen Schicht. Unterhalb von 125–170 m Tiefe war wärmeres Wasser (T > 0 °C) atlantischen Ursprungs vorhanden (Abb. 2d).

Die schiffsmontierten ADCP-Daten zeigten Geschwindigkeiten in östlicher Richtung, die 25–30 cms-1 entlang des Hangs des Nansen-Beckens erreichten (Abb. 1c und 2c). In dieser Region fließt warmes und salzhaltiges Atlantikwasser, das durch die Framstraße eindringt (Abb. 1a), nach Osten in den Arktischen Ozean28. Unser südlichster Standort NB1 lag etwas nördlich des Abhangs und des Hauptkerns (zwischen den 300- und 1000-m-Isobaten29,30) der Atlantikwasserströmung. Stattdessen zeigten die ADCP-Daten eine schnell variierende horizontale Strömung in der Nähe von NB1, was auf mesoskalige Wirbel hinweist (Abb. 2c und S1). Nördlich von NB1 (Abb. 1c und 2c) zeigten unsere mittleren 25–250 m langen Meeresströmungen überwiegend schwache zonale Strömungen, dh keine direkte Strömung vom südlichen Teil des Transekts in die nördlichen Teile.

Zwölf Schleppnetze wurden paarweise an den sechs Standorten entlang der Route gefangen: acht Züge mit einem Harstad-Schleppnetz für pelagische Fische und vier Züge mit einem Makroplankton-Schleppnetz zum Fang von größerem Zooplankton (Tabelle 1). Drei Hols wurden in der epipelagischen Schicht, sechs Hols in der mesopelagischen Schicht und drei Hols in beiden Schichten gezogen.

Die biologischen Proben enthielten 26 Taxa, wobei einige Organismen auf Artenebene und andere auf Familien-, Ordnungs- oder Stammesebene identifiziert wurden (Tabelle 2). Die Schleppnetzfänge der Makroplankton- und Harstad-Schleppnetze bestätigten das vermutete allgegenwärtige Vorkommen, aber im Allgemeinen eine geringe Häufigkeit von Organismen, einschließlich Fischen, im CAO. Alle Harstad-Schleppnetzfänge waren sehr klein und schwankten zwischen 3 und 325 g nm−1 (Abb. 3a, Tabelle S2). Die beiden ersten Hols im Nansen-Becken hatten die größten Fänge (NB1e und NB1m, 164 g nm-1 bzw. 325 g nm-1), zusammen mit einem Hol im Amundsen-Becken (AB2em, 208 g nm-1). Das Harstad-Schleppnetz ergab sehr kleine Fänge am Gakkel-Rücken (GR1m und GR2m, 9 g nm−1 bzw. 3 g nm−1). Die vier Hols mit dem feinmaschigeren Makroplankton-Schleppnetz brachten im Allgemeinen höhere Fänge (137–696 g nm−1) als das Harstad-Schleppnetz (Abb. 3b, Tabelle S2).

Zusammensetzung pelagischer Schleppnetzfänge im Eurasischen Becken. Die linken Felder zeigen die Fänge des Harstad-Schleppnetzes (a, c, e, g, i) und die rechten Felder zeigen die Fänge des Makroplankton-Schleppnetzes (b, d, f, h, j) im September 2021.

Das Harstad-Schleppnetz fing insgesamt 15 Taxa, darunter Ctenophora (44 %), Arthropoda (40 %), Cnidaria (12 %), Chaetognatha (2 %), Mollusca (2 %) und Teleostei (1 % nach Nassgewicht). (Abb. 3a). Euphausiiden (Meganyctiphanes norvegica, 3,6–4,0 cm, Tabelle S3), Amphipoden (Themisto abyssorum, 1,2–1,4 cm, und T. libellula, 2,1–2,6 cm, Tabelle S3) und Periphylliden (Periphylla periphylla) trugen am meisten zu den Fängen im bei Nansen-Becken, während T. libellula (3,0–3,8 cm, Tabelle S3) die Fänge im Amundsen-Becken und am Gakkel-Rücken dominierte (Abb. 3). Für P. periphylla liegt unser Nachweis unseres Wissens am nördlichsten. Es wurden drei Fischfamilien gefunden, die jeweils durch eine Art repräsentiert werden, darunter Myctophidae (Gletscherlaternenfisch), Gadidae (Polarkabeljau) und Pleuronectidae (Grönländischer Heilbutt Reinhardtius hippoglossoides). Zu den wenigen beprobten Fischen gehörten ein 8 cm (Gesamtlänge) Polardorsch (bei NB1e), eine 4 cm große Schwarze Heilbuttlarve (bei NB2e), drei Gletscherlaternenfische bei NB1m (4,5, 4,5 und 5,5 cm) und einer bei AB1m (5,0 cm). ). Soweit wir wissen, ist dies das erste Mal, dass Gletscherlaternenfische so weit im Norden gefangen wurden, obwohl die Art durch Videoaufzeichnungen noch weiter nördlich in dieser Region vorläufig identifiziert wurde13. Es ist unseres Wissens auch der nördlichste Nachweis von Schwarzem Heilbutt und das erste Mal, dass er nördlich des Schelfbruchs im CAO beobachtet wurde.

Das Makroplankton-Schleppnetz hatte einen höheren Taxonreichtum (23) und die Fänge bestanden aus Arthropoda (44 %), Ctenophora (38 %), Chaetognatha (13 %), Cnidaria (4 %), Mollusca (0,6 %) und Teleostei (0,2 %). Nassgewicht (Abb. 3b). Im Stamm Arthropoda dominierten der Copepod Calanus hyperboreus und der Flohkrebs Themisto libellula (2,3–2,6 cm, Tabelle S3) den Fang, während Beroe cucumis und Mertensia spp. trug zur Ctenophora-Biomasse bei (Tabelle S2). Darüber hinaus wurden Chaetognathen (Pseudosagitta maxima, P. elegans und Eukrohnia hamata) gefunden. Bemerkenswert ist, dass mehr als 90 % der Arten Calanus hyperboreus und Paraeuchaeta spp. Es wurden reife Weibchen erfasst (Abb. S15). Die Biomasse von Euphausiiden (Thysanoessa inermis, 1,7–2,4 cm, T. longicaudata, 1,4 cm und andere Arten) war bei den Makroplankton-Schleppnetzfängen ebenfalls gering. Obwohl ihre Biomasse vergleichsweise gering war, wurden warmwasserassoziierte Arten wie Nematoscelis megalops und Meganyctiphanes norvegica bis weit in den Norden der arktischen Gewässer nachgewiesen. Tatsächlich handelt es sich unseres Wissens nach um den ersten Nachweis von N. megalops im Untersuchungsgebiet. Das Makroplankton-Schleppnetz fing auch einen einzelnen Gletscherlaternenfisch (6,5 cm) bei AB1.

Wie erwartet wurden mit dem Makroplankton-Schleppnetz höhere Fänge kleinerer Organismen (z. B. Copepoden, Ctenophoren und Chaetognathen) erzielt als mit dem Harstad-Schleppnetz (Abb. 3). Zwölf Planktontaxa wurden nur mit dem Makroplanktonschleppnetz gefangen (Tabelle 2). Die Kombination der Ergebnisse beider Schleppnetzfänge zeigt, dass einige Taxa wie Ctenophora (Beroe cucumis) und hyperiide Amphipoden (Themisto libellula) entlang des gesamten Transekts beobachtet wurden. Copepoda ist eine weitere Gruppe, von der wir erwarten, dass sie an allen Stationen vertreten ist. Dies war jedoch nicht offensichtlich, da die von uns verwendeten Fanggeräte nicht für den Fang von Mesozooplankton geeignet sind. Im Makroplankton-Schleppnetz haben wir jedoch Biomasse des größeren Calanus hyperboreus (ca. 7 mm) erfasst, diese wird höchstwahrscheinlich unterschätzt. Andere Taxa wurden entweder nur an südlichen oder nördlichen Standorten gefangen. Nur an den nördlichsten Standorten wurden der Flohkrebs Eusirus holmii und der Zehnfußkrebs Hymenodora glacialis gefunden. Polardorsch und Schwarzer Heilbutt wurden nur an südlichen Standorten gefangen, während Gletscherlaternenfische sowohl an südlichen als auch an nördlichen Standorten vorkamen.

Die akustischen Daten wurden mithilfe von sequentiellem Schwellenwert, Frequenzgang (rf 18/38) und Zielstärkeanalyse (TS) kategorisiert (ergänzender Abschnitt 3). Die sequentielle Schwellenmessung zeigte an allen Standorten epi- und mesopelagische Schichten (Abb. 4), wenn auch mit unterschiedlicher Stärke und viel schwächer als normalerweise in der Norwegischen See und der Barentssee beobachtet. Im Nansen-Becken war bei NB1 in 10–100 m Tiefe in Wasser mit Temperaturen etwas darunter eine schwache (maximale sA von 0,3–0,4 m2 nmi-2, wobei sA der Nautical Area Scattering Coeffizient (NASC)50 ist) akustische Streuschicht vorhanden Null (Abb. 4a und S16). Die Schicht enthielt hauptsächlich schwache Streuer, wie sie mit den Kategorien S70 und S75 erfasst wurden, und alle Organismen in dieser Schicht hatten Zielstärken bei 38 kHz (TS38), die schwächer als –55 dB waren (Abb. S17). Der Frequenzgang (rf18/38 = 4,0) deutete darauf hin, dass gashaltige Organismen vorhanden waren. Der passende Fang aus dem Harstad-Schleppnetz (in 60–40 m) zeigte unter anderem einen 8 cm langen Polardorsch (Tabelle S2). Der mittlere TS38 eines solchen Fisches läge bei etwa − 54 dB51. Es waren keine derartigen TS38-Nachweise erkennbar, und die meisten akustischen Ziele hatten einen niedrigeren TS38-Wert und waren wahrscheinlich Planktonorganismen, die auch die Schleppnetzfänge völlig dominierten (Abb. 3, Tabelle S2).

Akustische Rückstreuung im Eurasischen Becken. Profile der akustischen Rückstreuung von sechs Standorten im September 2021 (af). Die verschiedenen Streuerkategorien sind farblich gekennzeichnet. ---- Zeigt die Temperatur der nächstgelegenen CTD-Station sowie die Tiefenintervalle an, in denen die Schleppnetze durchgeführt wurden (Harstad oder Makroplankton oder beides). Beachten Sie, dass ein einzelnes starkes Echo, das in etwa 265 m Tiefe bei NB1 beobachtet wurde (Abb. S18), bei der Darstellung dieser Zahl ausgeschlossen wurde.

Im Vergleich zu den anderen Stationen war bei NB1 in 300–500 m Tiefe bei atlantischen Wassertemperaturen (1,5–2,0 °C) eine stärkere mesopelagische Streuschicht vorhanden (Abb. 4a und S16). Die TS-Analyse ergab, dass die Schicht größere Fische enthielt als mit dem Schleppnetz gefangen, wie zum Beispiel Polardorsch (Ergänzungsabschnitt 3). Wenn ja, würde der beobachtete TS38-Modus zu Fischen mit einer Länge von etwa 7 cm führen51. Darüber hinaus stach ein einzelnes Echo von einem Ziel in 265 m Höhe mit einem sA hervor, das mehr als zehnmal höher war als der Rest (Abb. S18). Mehr als 20 TS38-Erkennungen dieses Ziels lagen im Bereich von −20 bis −32 dB.

Im zentralen Nansen-Becken (NB2) konnten im Tiefenintervall von 100–200 m schwache Echos beobachtet werden, die eine Streuschicht bildeten (Abb. 4b und S19). Sehr kaltes Polarwasser (– 1,8 °C < T < – 1,5 °C) besetzte die oberen 100 m und die Streuung trat in Tiefen auf, in denen sich die Temperatur 0 °C näherte (Abb. 4b). Bei allen Zielen war der TS38 schwächer als –50 dB, was darauf hinweist, dass keine größeren Fische vorhanden waren. Die passenden Schleppnetzfänge bestanden konsistent aus einer Mischung aus gelatineartigem Plankton und Krustentierplankton sowie einem Armhaken-Tintenfisch (Tabelle S2). Zusätzlich wurde eine Larve des Schwarzen Heilbutts (4 cm lang) gefangen, deren TS38 deutlich unter −50 dB liegen würde, da sie keine Schwimmblase hat. Die Streuung in der mesopelagischen Schicht war schwach (Abb. 4b), aber TS38 zeigte einen Modus bei –52 dB (Abb. S17).

Die Echogramme der beiden Standorte am Gakkel-Rücken (GR1 und 2) zeigten eine ausgeprägte epipelagische Schicht in 20–40 m Tiefe, in polaren Gewässern mit einer Temperatur unter –1,5 °C (Abb. 4c, d, Abb. S20, S21). . Ein scharfer Peak erhöhter Fluoreszenz in der oberen Wassersäule überlappte sich mit der erhöhten akustischen Streuung (Abb. S22), was darauf hindeutet, dass die Streuung von Zooplankton herrührte, das sich in einer Phytoplanktonschicht angesammelt hatte. Konsequenterweise waren die S75- und S80-Kategorien bei GR2 höher als irgendwo sonst im Transekt (Abb. 4c, d), was auf eine andere Zusammensetzung oder Dichte des Zooplanktons schließen lässt. Es ist jedoch auch möglich, dass ein Teil der Rückstreuung vom Schallgeschwindigkeitskontrast in dieser Pyknokline herrührt (Abb. S22). In größeren Tiefen gab es eine schwache mesopelagische Rückstreuung mit TS38-Werten mit einem Modus für –54 dB (Abb. S17). Der Frequenzgang (rf 18/38 von 0,4–1,2) deutete auf eine Mischung von Organismen mit und ohne Gaseinschlüsse hin, während die Fänge der Schleppnetze Harstad (50–550 m) und Makroplankton (60–537 m) von arktischen Hyperiiden dominiert wurden Flohkrebse (Abb. 3, Tabelle S2).

Im südlichen Amundsen-Becken (AB1) hatte die 25–30 m tiefe Schicht ein stärkeres akustisches Signal als anderswo im Untersuchungsgebiet und mit einer anderen Zusammensetzung und/oder Dichte (ein stärkerer S70-Anteil, Abb. 4e). Die Echoregistrierungen in tieferem Wasser waren schwach, was darauf hindeutet, dass die Schleppnetzfänge von einer Mischung aus Amphipoden, Ruderfußkrebsen, Ctenophoren und Chaetognathen dominiert wurden, wobei kleinere Organismen klar dominierten (Abb. 3 und Tabelle S2). Die TS38-Registrierungen in der Tiefe ähnelten jedoch denen an den südlicheren Standorten, allerdings mit einer breiteren Verteilung, die ihren Höhepunkt bei –58 dB erreichte (Abb. S17). Dennoch ergab die TS38-Verteilung in der Tiefe auch an diesem Standort zahlreiche TS38-Registrierungen bei − 54 dB. Im zentralen Amundsen-Becken (AB2) war sowohl die epi- als auch die mesopelagische Streuung schwach (Abb. 4f und S17).

Die Untersuchung deckte einen Gradienten von einem advektiven/mesoskaligen Wirbelregime ab, das stark von der Atlantikwasser-Hangströmung im südlichen Nansen-Becken beeinflusst wird, hin zu einem allmählich ausgeprägteren arktischen Regime ab ~ 83o N und nördlich (Abb. 2). Allerdings gab es auch im arktischen Regime Wasser atlantischen Ursprungs (T > 0 °C) in der Tiefe (Abb. 2d), das eine ausgeprägte mesopelagische Streuschicht aufwies (Abb. 4), die nachweislich im CAO23 weit verbreitet war. Unsere Schleppnetzfänge zeigen, dass die mesopelagische Schicht bis 87,5° N sowohl subarktisch-boreale als auch arktische Arten enthält (Abb. 5), was mit früheren Ergebnissen übereinstimmt11. Einige der größeren Zooplanktonarten, die wir gefunden haben, kommen laut ROV52 auch im Amerasian Basin vor, während viele der dort gefundenen kleineren Zooplanktonarten nicht in unseren Schleppnetzen gefangen wurden, was wahrscheinlich eher auf die Ausrüstung als auf die Biogeographie zurückzuführen ist.

Schematische Darstellung der vorherrschenden epi- und mesopelagischen Fauna entlang des Eurasischen Becken-Transektes basierend auf Schleppnetzfängen. Arktische Organismen sind in blauer Farbe dargestellt, subarktisch-boreale in gelber Farbe. Symbole für Organismen, die einer höheren Taxa-Ebene zugeordnet sind (einschließlich Arten mit unterschiedlicher biogeografischer Affinität), werden in Weiß angezeigt. Blasen mit Organismen werden ungefähr im Bereich der Probenahmetiefe platziert. Beachten Sie, dass das Fehlen kleinerer Organismen wie Copepoden und Chaetognathen im Nansen-Becken auf eine Verzerrung der Probenahme zurückzuführen ist, da dort kein Makroplankton-Schleppnetz eingesetzt wurde. Die grünen Linien zeigen die Stärke der Rückstreuung, während die Hintergrundfarbe das Temperaturfeld aus Abb. 2d ist.

Höhere Fänge (Abb. 3) und akustische Rückstreuung (Abb. 4a) in der hangnahen Region im Nansen-Becken (NB1) im Vergleich zu den weiter nördlich besuchten Standorten stehen im Einklang mit dem hohen Zufluss von Zooplankton in den atlantischen Wasserfluss am Hang des südlichen Nansen-Beckens33,35,53,54,55. Bei einigen advektierten Taxa mit Ursprung im borealen Atlantik, wie z. B. Meganyctiphanes norvegica, ist es derzeit nicht wahrscheinlich, dass sie sich im Eurasischen Becken vermehren11. Sollte die Erwärmung jedoch anhalten, könnten diese Arten in Zukunft möglicherweise ihren Lebenszyklus in diesen Gewässern abschließen. Diese advektiven Organismen spielen eine wichtige Rolle als wesentliche Nahrungsquelle für Verbraucher in der Region35.

Die epi- und mesopelagische Fauna im südlichen Nansen-Becken war vielfältiger als weiter nördlich (Abb. 5). Es umfasste gut dokumentierte subarktisch-boreale Ctenophoren, sowohl subarktisch-boreale als auch arktische Amphipoden und Euphausiiden (im Einklang mit einer Synthese von Kosobokova11) sowie Gletscherlaternenfische und Polardorsche. Die akustischen Daten zeigten ein starkes Echoziel (Abb. S18) mit TS38-Erkennungen in einem Bereich, der auf einen großen (130–140 cm) Atlantischen Kabeljau, ein Meeressäugetier oder einen großen Fisch ohne Schwimmblase schließen lässt (Ergänzungsabschnitt 3). Der wahrscheinlichste Kandidat ist ein Grönlandhai (Somniosus microcephalus), der in diesem Gebiet häufig in Hangnähe anzutreffen ist56. Jungfische Rotbarsch (Sebastes mentella), Schellfisch (Melanogrammus aeglefinus), Lodde (Mallotus villosus), Polardorsch, Atlantischer Kabeljau und Schwarzer Heilbutt kommen auch in den meso- und epipelagischen Schichten näher am Hang etwas weiter westlich vor, es kommen jedoch einige Arten vor saisonal auftreten19,21,57. Außerdem wurden ausgewachsene Rotbarsche und Atlantischer Kabeljau in der mesopelagischen Schicht etwas weiter westlich direkt am Hang gefangen21,58. Diese gemeldeten Fänge wurden jedoch näher an der Hangströmung des Atlantikwassers getätigt.

Die Rückstreuung nimmt in der oberen mesopelagischen Zone stark ab, wenn Grenzen zwischen subpolaren und polaren Wassermassen überschritten werden59, und ein solcher Rückgang war auch beim Übergang vom hangnahen (NB1) zum zentralen (NB2) Nansen-Becken zu beobachten (Abb. 2 und 4a, B). Es ist jedoch nichts wert, dass unser beobachteter Gradient durch die in diesen Regionen stattfindende Zifferblattmigration verzerrt sein kann20. Da der zentrale Standort im Nansen-Becken (NB2) gegen Mitternacht beprobt wurde (Tabelle S1), kann die schwache Streuung in der Tiefe in Kombination mit der verstärkten Streuung in der Nähe von 150 m (Abb. 4b) zumindest teilweise durch Organismen verursacht werden, die sich von dort nach oben bewegt haben die tiefere mesopelagische Schicht in Richtung der Oberfläche während der Nacht.

In der mesopelagischen Schicht befanden sich im Wesentlichen die gleichen Arten wie in der Nähe des Abhangs (Abb. 5), zusätzlich kamen Armhakenkalmare und eine Larve des subarktisch-borealen Schwarzen Heilbutts vor. Armhakenkalmare scheinen in der Arktis weit verbreitet zu sein13,21,52. Die Larve des Schwarzen Heilbutts hingegen wurde noch nie zuvor so weit im Norden beobachtet und wurde wahrscheinlich mit dem atlantischen Wasserarm um das Yermak-Plateau (Abb. 1) oder durch mesoskalige Wirbel im Sommer befördert. Sowohl mesoskalige Wirbel30,31 als auch die Rezirkulation des Atlantikwassers32 scheinen in dieser Region häufig vorzukommen. Solche kleineren und regionalen Merkmale können ein Mittel sein, um subarktisch-boreale Organismen, die von der atlantischen Wasserströmung21,33,34,35,36 befördert werden, vom Hang in das zentrale Nansen-Becken zu bringen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Larve des Schwarzen Heilbutts aus dem Schelfbruch der Karasee, der Laptewsee oder der Ostsibirischen See stammt60,61.

Die mesopelagische Schicht im zentralen Nansen-Becken enthielt etwas Krustentierplankton, darunter subarktisch-boreale Euphausiiden und arktische Amphipoden (Abb. 5), wurde jedoch gewichtsmäßig vom subarktisch-borealen gallertartigen Tiefwasserplankton Periphylla periphylla dominiert. Der zunehmende Zufluss von Atlantikwasser könnte dieser Art in den letzten Jahrzehnten bessere Bedingungen für die Besiedlung der europäischen Arktis geboten haben48. Dennoch scheint unser Rekord der bislang nördlichste zu sein.

Trotz starker Meereiskonzentration (80–90 % Konzentration) und niedrigen Temperaturen (T < − 1,5 °C) (Abb. 2a und d) zeigte die Akustik eine ausgeprägte epipelagische Schicht in 20–40 m Tiefe am Gakkel-Rücken (Abb. 4c, d), möglicherweise bestehend aus Organismen, die mit einer Blütensituation in Verbindung stehen. Eisalgenblüten an der Eis-Wasser-Grenzfläche sind häufig62, aber auch Phytoplanktonblüten unter dem Eis kommen in diesem Gebiet in geringem Ausmaß vor und fallen mit einer Abflachung der Pyknokline auf 50 m zusammen63. Pelagische Algenblüten treten im Allgemeinen nach dem Aufbrechen des Eises auf, was in diesen nördlichen Regionen oft erst im August oder Anfang September der Fall ist64. Die Schleppnetze überschneiden sich nicht mit der intensivsten Rückstreuung in der epipelagischen Schicht und können daher die akustischen Daten nicht direkt bestätigen.

In diesen Regionen war auch eine mesopelagische Streuschicht erkennbar, wenn auch sehr schwach (Abb. 4c, d). Das feinmaschige Makroplankton-Schleppnetz zeigte Copepoden und Euphausiiden sowie einige Nesseltiere bei ca. 350 m Tiefe und unseres Wissens der nördlichste Nachweis von Nematoscelis megalops (Tabelle 2). Allerdings zeigten sowohl die Makroplankton- als auch die Harstad-Schleppnetzfänge, dass Epi- und Mesofauna von arktischen Arten dominiert werden (Tabelle S2 und Abb. 5), was möglicherweise mit der Transpolardrift27 in Zusammenhang steht (Abb. 1b). Frühere Studien haben die Hypothese aufgestellt, dass sowohl arktische Amphipoden (wenn auch die sympagischeren Arten)65 als auch Polardorsche9 der Eisdrift von Osten in Richtung des westlichen Nansen-Beckens folgen.

Sowohl Schleppnetzfänge (Abb. 3) als auch akustische Registrierungen (Abb. 4e, f) zeigten sehr geringe Konzentrationen von Zooplankton und Fischen beim Eindringen in den weitgehend eisbedeckten (> 90 %), kalten und stark geschichteten (Abb. 2d, e) Süden Amundsen-Becken (AB1). Es wurden keine Fänge getätigt, um den akustischen Höhepunkt zu bestätigen, der in 25–30 m Tiefe im südlichen Amundsen-Becken beobachtet wurde (Abb. 4e), aber die Makroplankton-Schleppnetzfischerei aus den tieferen Schichten zeigte eine hohe Biomasse an Copepoden in dieser Region (Tabelle S2).

Der Fang in der mesopelagischen Schicht im Amundsen-Becken bestand aus einer Mischung aus gallertartigem Plankton und Krustentierplankton sowie Chaetognathen, und die einzigen gefangenen Fische waren einige Individuen von Gletscherlaternenfischen in den südlichen Teilen dieses Beckens (Abb. 3 und 5). Allerdings war der beobachtete TS38-Peak bei – 55 bis 54 dB (Abb. S17) deutlich stärker als die vorherigen Schätzungen von etwa – 62 dB für erwachsene Gletscherlaternenfische66. Da die TS-Daten vor der Analyse so gefiltert wurden, dass sie innerhalb von 2° der akustischen Achse liegen, sollte dieses Ergebnis nicht aufgrund des verringerten Signal-Rausch-Verhältnisses in den äußeren Teilen des Strahls verzerrt sein. Darüber hinaus waren an allen Standorten südlich von AB1 ähnliche Moden (− 55 bis 52 dB) erkennbar. Wenn diese stärkeren Echos beispielsweise vom Polardorsch stammten, deuten unsere TS38-Daten darauf hin, dass Polardorsch mit einer Länge von 6–9 cm51 an den meisten Standorten vorhanden war, wenn auch in zu geringen Konzentrationen, um von den Schleppnetzen gefangen zu werden.

Subarktisch-boreale Arten wie der Euphausiid Meganyctiphanes norvegica wurden bis 87,5o N im Amundsen-Becken beobachtet (Tabelle 2). Diese Ergebnisse stützen unsere Hypothese, dass die pelagische Zusammensetzung durch die dominierende Herkunft der Wassermassen bestimmt wird, wobei aber auch in den nördlichsten Teilen subarktisch-boreale Arten vorkommen. Darüber hinaus ist es wahrscheinlicher, dass diese subarktisch-borealen Arten die nördlichsten Regionen durch Advektion erreicht haben, da die starke topografische Steuerung dazu führt, dass das Atlantikwasser hauptsächlich Hängen und Bergrücken folgt, anstatt die tiefen Becken zu durchqueren26,28 (Abb. 1a, c). das östliche Nansen- und möglicherweise das Amundsen-Becken. Die langen Advektionszeiten von der Framstraße (2–5 Jahre) und der Barentssee (10–15 Jahre) bis zum Amundsen-Becken67 können darauf hindeuten, dass die Krillarten derzeit ihren gesamten Lebenszyklus in der Arktis leben können. Da M. norvegica jedoch einen Lebenszyklus von mehr als drei Jahren hat68, können diesbezüglich keine eindeutigen Schlussfolgerungen gezogen werden. Für eine andere zooplanktonische Boreal-Atlantik-Art, Calanus finmarchicus69, wurde kürzlich eine erhöhte Kapazität zur Vervollständigung des Lebenszyklus in der Arktis vorgeschlagen.

Im zentralen Amundsen-Becken (AB2) zeigten die Fänge ein starkes Vorkommen von gelatineartigem Plankton (Ctenophoren), darunter wiederum subarktisch-boreale Arten (Abb. 5). In der Tschuktschensee wurden überwinternde Individuen von drei Ctenophor-Arten beobachtet, was zu der vorgeschlagenen Hypothese führt, dass sie den Winter unter Meereis in der Küstenarktis überleben können, da sie aufgrund der anhaltenden Verfügbarkeit von Beutetieren, die mit einer hohen Produktivität, einschließlich der Produktion durch Eisalgen, verbunden ist, weiterhin verfügbar sind70. Ctenophoren waren im Allgemeinen im Nansen- und Amundsen-Becken weit verbreitet und wurden an allen Standorten beobachtet (Abb. 5, Tabelle 2). Diese Beobachtungen stimmen mit denen aus den oberen 100 m des Canada Basin71 überein. Das feinmaschigere Makroplanktonschleppnetz zeigte auch das Vorkommen von Calanus spp., Themisto spp., Pseudosagitta und Eukrohnia spp. (Tabelle S2). Diese vergleichsweise kleinen Organismen sind im Harstad-Schleppnetz, das für den Fischfang bestimmt ist, offensichtlich nur schwach vertreten.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Dichte sowohl der Fische als auch ihrer Beuteorganismen im Nansen- und Amundsen-Becken im Vergleich zu weiter südlich gelegenen Regionen sehr gering ist. Die beobachteten Fangraten sind zwei Größenordnungen niedriger als in der Hangströmung nördlich von Spitzbergen19,21. Auch die akustische Rückstreuung ist zwei Größenordnungen geringer als in den nördlichen Gewässern von Spitzbergen22,58,72, einer Region, in der wiederum eine um eine Größenordnung geringere Rückstreuung auftritt als im Norwegischen Meer21. Dies bestätigt unsere Hypothese, dass pelagische Fische und großes Zooplankton im CAO im Vergleich zum Süden weniger häufig vorkommen, obwohl die Häufigkeit sogar noch geringer ist als erwartet. Darüber hinaus haben neuere Studien gezeigt, dass die Dichte im westlichen Nansen- und Amundsen-Becken im Vergleich zu ihren östlichen Teilen geringer ist13. Daher scheint die Dichte an Fischen und anderen pelagischen Organismen im tiefen westlichen Nansen-Becken trotz der Nähe zur Zuflussregion in der Framstraße geringer zu sein als weiter östlich. Gleichzeitig spiegelt die biogeografische Zusammensetzung die Anbindung an den atlantischen Zufluss wider. Es bleibt unklar, ob die Hinzufügung von Arten, die zuvor nicht in der Untersuchungsregion gefunden wurden, auf einen stärkeren oder häufigeren Zustrom oder einen erhöhten Forschungsaufwand zurückzuführen ist.

In der westlichen Hangregion des Nansen-Beckens wurden eine erhebliche Erwärmung, ein daraus resultierender Meereisverlust und ein erhöhter Einfluss subarktisch-borealer Arten dokumentiert2,34,53. Im abhangigen, tiefen Nansen-Becken kam es jedoch zu den größten Veränderungen des sommerlichen Meereises in den östlichen Teilen1. Die Veränderungen des sommerlichen Meereises im tiefen westlichen Nansen-Becken sind viel geringer, da die Transpolardrift das Meereis kontinuierlich nach Westen in die Region und weiter in Richtung Framstraße bringt27 (Abb. 1b). Darüber hinaus werden auch die östlichen Nansen- und Amundsen-Becken durch den atlantischen Zufluss aus der Barentssee beeinflusst (Abb. 1a). Sowohl die Barentssee als auch das östliche Nansen-Becken erleben derzeit eine ausgeprägte Atlantifizierung mit einer damit verbundenen Borealisierung des Ökosystems2,73. Daher sind die östlichen Teile dieser Becken möglicherweise produktiver und bieten bessere Lebensbedingungen für subarktisch-boreale Arten als ihre westlichen Teile.

Akustische Überwachung und Netzprobenentnahme in eisbedeckten Gewässern stellen Herausforderungen dar. Die Nutzung akustischer Mehrfrequenzdaten von Forschungsschiffen ist ein großer methodischer Fortschritt, der die Kartierung und Überwachung von Biota in eisbedeckten Gewässern erleichtern wird. Der hohe Lärm und die Blockierung des akustischen Signals, das beim Eisbrechen entsteht, führen jedoch zu Einschränkungen. Im Ruhezustand lieferte die Instrumentierung jedoch akustische Daten mit einem Signal-Rausch-Verhältnis, das für die Verwendung bei mehreren Frequenzen in der oberen Wassersäule und bei den niedrigsten Frequenzen (18 und 38 kHz) bis mindestens 500 m akzeptabel war. Die gleiche Schlussfolgerung wurde aus der Verwendung von 18-kHz-Akustikdaten von einer CAO-Kreuzung mit R/V Oden23 gezogen. Wir stellen jedoch fest, dass aufgrund der Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses mit zunehmender Entfernung nur die TS größerer Organismen in einigen hundert Metern Entfernung erfasst wurden.

Die pelagische Schleppnetzfischerei in eisbedeckten Gewässern mit gewöhnlicher Ausrüstung ist eine Herausforderung, da hinter dem Schiff schwimmende Eisschollen das Netz beim Aussetzen oder Einholen leicht zerstören können. Proben von Untereis-Schleppnetzen wurden zuvor mit einem Oberflächen- und Untereis-Schleppnetz9,74 gewonnen, pelagische Fischschleppnetze wurden jedoch aufgrund der dicken Eisdecke im CAO bislang nicht eingesetzt23. Unsere Ergebnisse zeigen, dass nur bescheidene Anpassungen eines gewöhnlichen pelagischen Schleppnetzes (Harstad-Schleppnetz), das routinemäßig auf norwegischen Forschungsschiffen zur Schätzung des Fischbestands und der Biomasse eingesetzt wird, in eisbedeckten Gewässern gut funktionierten. Mithilfe eines Galgens für Eisschleppnetze haben wir die Schleppblöcke in die Mitte des Hecks des Schiffes bewegt und so das Schleppnetz geschlossen, bevor es beim Einholen die Oberfläche erreichte und beim Absetzen unter die Oberfläche sank. Darüber hinaus wurde das Schleppnetz leicht modifiziert, indem die Flotation reduziert und das Gewicht am Steert erhöht wurde. Dadurch hing das Schleppnetz beim Aussetzen und Einholen fast senkrecht am Heck des Schiffes, was das Problem des Eindringens von Meereis in das Schleppnetz weiter verringerte. Beim kleineren Makroplankton-Schleppnetz bestand die einzige vorgenommene Änderung darin, den Steert um 40 kg zu erhöhen.

Das horizontale Schleppen eines Schleppnetzes hat im Vergleich zu anderen Probenahmemethoden (wie Kiemennetzen, Angelschnüren, vertikal gezogenen Netzen oder Video) klare Vorteile, insbesondere bei extrem geringen Dichten wie im CAO. Mit einem Schleppnetz von ein bis zwei Seemeilen, wie bei dieser Untersuchung, filterte das Harstad-Schleppnetz etwa 500.000–1.000.000 m3 Wasser. Dennoch ist das Schleppnetz mit seiner vertikalen Öffnung von 10–12 m (Tabelle 1) und relativ kurzen Schleppzeiten trotz der gleichen Schleppgeschwindigkeit wie in eisfreien Gewässern immer noch zu klein, um bei diesen Dichten große Fänge zu erzielen. Bei maximalen Fangmengen von etwa 325 bzw. 696 g nm−1 (Harstad-Schleppnetz bzw. Makroplankton-Schleppnetz) bestehen Unsicherheiten darüber, ob die Fangzusammensetzung die tatsächliche Zusammensetzung der Organismen im Meer widerspiegelt. Die unterschiedlichen Fangmöglichkeiten der Harstad- und Makroplanktonschleppnetze machen dieses Problem noch komplexer. Der Einsatz eines größeren Schleppnetzes wäre zweifellos ein effizienterer Ansatz für den Fischfang, würde aber auch zu schwerwiegenden Komplikationen bei Einsätzen in eisbedeckten Gewässern führen. Für den Fang kleinerer Organismen (z. B. Ruderfußkrebse) sind kleinere Netze wie WP2 oder Multinet mit 180 µm Maschenweite effizienter.

Im Jahr 2021 trat ein CAO-Fischereiabkommen in Kraft (www.fao.org/faolex/results/details/en/c/LEX-FAOC199323). Neben der Verhinderung der Fischerei auf hoher See der CAO bis mindestens bis zum Jahr 2037 fordert das Abkommen die Einrichtung eines gemeinsamen Programms für wissenschaftliche Forschung und Überwachung mit dem Ziel, das Verständnis der Ökosysteme zu verbessern. In einem Planentwurf für ein solches Programm wurde die Notwendigkeit einer Basiskartierung, Überwachung und Forschung betont8.

Unter Verwendung von Schleppnetzen und Takelage, die für den Einsatz in eisbedeckten Gewässern modifiziert wurden, in Kombination mit modernster Mehrfrequenzakustik tragen unsere Ergebnisse direkt zur Basiskartierung des CAO-Ökosystems bei, während es auch heute noch während der meisten Zeit von Eis bedeckt ist das Jahr. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Dichte sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich wichtiger Fische und ihrer Beuteorganismen im westlichen Nansen- und Amundsen-Becken des CAO derzeit äußerst gering ist. Modellstudien kommen auch zu dem Schluss, dass das Produktionspotenzial der Region zu gering ist, um in Zukunft eine kommerzielle Fischerei zu rechtfertigen2,7.

Es wurden zwei pelagische Schleppnetze eingesetzt und modifiziert, um Schäden durch das Eis an der Oberfläche zu reduzieren. Das standardmäßige norwegische pelagische Schleppnetz für pelagische Fische (Lodde, Hering und Jungfische) in nördlichen Gebieten (Schleppnetz Harstad 32075) wurde mit modifizierter Takelage eingesetzt. Das Schleppnetz (~ 250 m2 Öffnungsfläche) ist von 200 mm Maschenweite vor dem Schleppnetz bis 60 mm vor dem Steert abgestuft. Der Steert ist mit einem 8 mm Maschennetz ausgestattet. Die modifizierte Takelage umfasste Draht anstelle von Spectra-Sweeps (beide 60 m lang), wodurch der Gesamtauftrieb des Schleppnetzes verringert wurde (von 1047 auf 50 kg) und Gewichte von 150 kg vor jedem unteren Flügel und ein Gewicht von 40 kg an der Flügel angebracht wurden Ende des Steerts. Das eismodifizierte Harstad-Schleppnetz hatte eine durchschnittliche Öffnungshöhe zwischen 9,6 und 12,4 m und eine durchschnittliche Türspreizung von 44,7–71,5 m (Tabelle 1).

Das Makroplankton-92-m-Schleppnetz (Schleppnetz-Öffnungsfläche von ca. 36 m2; Ref. 76,77) wurde mit normaler Takelage verwendet, mit der Ausnahme, dass 40 kg Gewicht am hinteren Teil des Steerts hinzugefügt wurden. Das Makroplankton-Schleppnetz ist ein nicht klassifiziertes Schleppnetz Schleppnetz mit 8 mm Maschenöffnung (EN ISO 1107:2003) von der Vorderseite des Schleppnetzes bis zum Steert.

Die Schleppnetzfischerei wurde in Leads mit sehr dünnem Neueis durchgeführt (Ergänzungsabschnitt 2). Die Angeltiefe wurde durch akustische Registrierungen am EK80 ermittelt. Bei schwacher akustischer Registrierung wurde ein Schleppnetz auf ca. 50 m und ein weiteres in der mesopelagischen Tiefenschicht von 300–450 m23 eingesetzt. Vor jedem Einsatz wurden die oberen Flügel des Schleppnetzes mit einem dünnen Seil befestigt, um zu verhindern, dass beim Schießen Eis in das Schleppnetz eindringt. Dieses Seil riss beim Ausfahren der Schleppnetztüren aufgrund der horizontalen Spreizkräfte. Die Schiffsgeschwindigkeit wurde während des Schießens des Schleppnetzes und der Türfreigabe reduziert, um die Sinkgeschwindigkeit des Schleppnetzes zu erhöhen (dh das Schleppnetz hing nahezu senkrecht hinter dem Schiff). Als sich die Türen in einer Tiefe von ca. 4–6 m befanden, erhöhte das Schiff seine Geschwindigkeit und die Ketten wurden wie beim gewöhnlichen pelagischen Schleppnetzfischen ausgefahren. Das Harstad-Schleppnetz wurde mit 1,5 ms-1 geschleppt, während das Makroplankton-Schleppnetz etwa 30 Minuten lang in verschiedenen Tiefen mit 1,0 ms-1 (Geschwindigkeit über Grund – SOG) geschleppt wurde (Tabelle 1). freie Gewässer. Als sich das Schleppnetz beim Zurückholen der Oberfläche näherte, reduzierte das Schiff seine Geschwindigkeit, damit die Türen und das Schleppnetz in einem vertikalen Winkel nahe dem Heck des Schiffes an Deck gelangen konnten (d. h. das Schleppnetz hing fast senkrecht hinter dem Schiff). . Das Schiff nutzte den Eisschleppgalgen von Seaonics (ein automatisiertes System, um die Schleppblöcke in die Mitte des Hecks des Schiffes zu bewegen), wenn die Dicke und das Volumen des Meereises hoch waren. Die vertikale Öffnung des Schleppnetzes (nur Harstad-Schleppnetz), die Schleppnetztiefe, die Türspreizung und die Türtiefe wurden mit akustischen Schleppnetzinstrumenten (SCANMAR AS, Åsgårdstand, Norwegen) gemessen.

Die Schleppnetzfänge wurden sofort sortiert und die Organismen nach Möglichkeit auf Artenebene identifiziert. Die Fische wurden gewogen und die Länge gemessen. Überschüssiges Wasser wurde mit einem 1-mm-Sieb vorsichtig aus den Makrozooplanktonproben (Euphausiiden, Amphipoden usw.) gefiltert. Repräsentative Teilproben von 100 g wurden in 4 % Hexamin-gepufferter Formalinlösung in 500-ml-Plastikflaschen aufbewahrt. Bei den konservierten Proben handelte es sich um identifizierte Arten, deren Länge nach Möglichkeit im IMR-Labor gemessen wurde. Das Institut für Meeresforschung hält sich vollständig an die norwegischen Gesetze bezüglich Ethik in der Wissenschaft und Tierschutz. Das Institut für Meeresforschung ist ein staatliches Forschungsinstitut mit der Genehmigung der norwegischen Regierung, Forschungskreuzfahrten einschließlich Fischproben durchzuführen. Alle Methoden wurden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Alle Methoden werden gemäß den ARRIVE-Richtlinien gemeldet. Es wurden keine Experimente an lebenden Organismen durchgeführt.

Die Probenahmeprotokolle wurden vom Institut für Meeresforschung (IMR-Qualitätssystem https://kvalitet.hi.no/docs/pub/DOK06839.pdf) und UiT genehmigt. Die Arctic University of Norway leitet das Nansen Legacy-Projekt (https://doi .org/10.7557/nlrs.5882).

Akustische Daten wurden von einem Simrad EK80-Echolot erhalten, das hinter einem Eisfenster unter dem Rumpf montiert war. Das Echolot wurde am 19.01.2021 nach Standardverfahren78 kalibriert. Aufgrund des mechanischen Lärms bei der Fahrt durch das Meereis wurden nur Daten aus Zeiträumen verwendet, in denen das Schiff stillstand. Eine Stunde akustischer Daten ohne Lärm wurde so nah wie möglich an den Schleppnetzstandorten ausgewählt (Abb. 1c, Tabelle S1). Die Anwendung eines Schwellenwerts von −90 dB ergab Echolotdaten bis zu einer Tiefe von mindestens 500 m für die Frequenzen 18 und 38 kHz. Bei den höheren Frequenzen war die nutzbare Reichweite geringer (bei 70 kHz etwa 400 m, bei 120 kHz etwa 200 m, bei 200 kHz etwa 100 m und bei 333 kHz weniger als 50 m).

Der Schwellenwert des Echointegrators in Bezug auf Sv in dB wurde auf −90 dB re 1 m−1 (Ref. 50) eingestellt. Zur Bestimmung der Rückstreuintensität wurde die 38-kHz-Frequenz verwendet. Die Analyse wurde mit dem Postprocessing-Tool LSSS v. 2.11.0 (Ref. 79) durchgeführt. Die Ausgabe der Rückstreudaten erfolgte in Form von sA, und alle Definitionen und Notationen der akustischen Größen entsprachen Maclennan50 (weitere Einzelheiten finden Sie im ergänzenden Abschnitt 3). Die Daten wurden über den Zeitraum integriert und in einem Raster von 10 m Tiefe und 1 Stunde (3600 s) gespeichert.

Um zu veranschaulichen, wie sich die gesamte akustische Rückstreuung entlang einer Achse von schwachen Streuern zu starken Streuern verteilte, wurden die sA anhand ihres sV durch sequentielles Schwellenwertverfahren bei 38 kHz in fünf Klassen eingeteilt. Die fünf verwendeten Kategorien waren S70, S75, S80, S85 und S90 (Ergänzungsabschnitt 3), wobei S70 die Organismen mit der stärksten Zielstärke (TS) und/oder der höchsten Dichte darstellt, während S90 den Organismus mit der schwächsten TS und/oder darstellt die niedrigste Dichte.

Verschiedene Arten von Organismen gleicher Größe haben oft unterschiedliche akustische Eigenschaften bei unterschiedlichen Frequenzen, und die Verteilung der Arten von Streuorganismen wurde anhand der Frequenzantwort in sV beurteilt. Die verschiedenen Frequenzen wurden bis auf ihre akzeptablen Bereiche betrachtet und wir geben den relativen Frequenzgang zwischen 18 und 38 kHz (rf18/38) an, wenn dies möglich ist.

Wir haben die Art der vorhandenen Organismen durch Messungen der TS einzelner Streuer identifiziert. Wir haben hauptsächlich TS-Messungen ab 38 kHz in Betracht gezogen, aber sofern verfügbar, wurden auch TS-Messungen ab 18 kHz bewertet. Die höheren Frequenzen wurden nur berücksichtigt, wenn wir außerordentliche Registrierungen verzeichneten (wie bei NB1). Die TS-Messungen wurden in LSSS mit den folgenden Einstellungen identifiziert: Detektortyp SED (Single Echo Detector), Min TS − 70 dB, Pulslängenbestimmungspegel: 6 dB, minimale Echolänge: 0,5 (relativ zur Pulslänge), maximale Echolänge 2,0 (relativ zur Impulslänge), maximale Verstärkungskompensation 6 dB, Phasenabweichungsprüfung: Ein. Maximale Phasenabweichung: 8 Schritte. Anschließend haben wir die Daten so gefiltert, dass sie innerhalb von 2° außerhalb der Achse liegen, um zu vermeiden, dass TS-Verteilungen aufgrund des verringerten Signal-Rausch-Verhältnisses in den äußeren Teilen des Strahls zu höheren Werten tendieren.

Sowohl die Meereiskonzentration als auch die Drift während der Kreuzfahrt wurden von der EUMETSAT Ocean and Sea Ice Satellite Application Facility (OSI SAF) in Zusammenarbeit mit der ESA CCI (https://osi-saf.eumetsat.int/products/sea-ice) ermittelt -Produkte). Die tägliche Meereiskonzentration aus passiven Mikrowellensatellitendaten stammt aus dem vorläufigen Klimadatensatz (OSI-430-b80) und wird täglich in einem Raster mit einer Auflösung von 25 km bereitgestellt. Die Meereisdriftgeschwindigkeiten stammen aus dem niedrigaufgelösten Meereisdriftprodukt (OSI-405-c) und werden täglich mit einer Auflösung von 62,5 km angegeben.

Beobachtungen der Meeresströmungen wurden mit dem auf dem Schiff montierten RDI 150 kHz Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) durchgeführt, der hinter dem Eisfenster unter dem Rumpf montiert war. Die Nachbearbeitung der ADCP-Daten erfolgte mit dem Common Oceanographic Data Access System81. Die Gezeiten wurden mithilfe des AOTIM-Gezeitenmodells82 ermittelt. Das auf dem Schiff montierte ADCP lieferte Daten aus einer Tiefe von 25 bis 250–350 m. Während der Fahrt bis etwa 82,5° N wurden relativ kontinuierlich ADCP-Daten aufgezeichnet. Nördlich davon lieferte VM-ADCP nur Daten, wenn das Schiff stationär war. Um die hohe Auflösung beim Überqueren der Atlantikwasser-Hangströmung beizubehalten, wurden ADCP-Daten von 80,5o N bis 82,5o N zu einem entlang der Strecke verlaufenden Vektor mit einer horizontalen Auflösung von 10 km gerastert. Nördlich davon wurden ADCP-Daten von jeder CTD-Station (innerhalb von 0,5 km von der Station entfernt) extrahiert und dann gemittelt, um ein vertikales Geschwindigkeitsprofil an der CTD-Station zu erhalten. Diese zurückgegebene Geschwindigkeit entlang eines Vektors mit einer horizontalen Auflösung von 10 km bis zu 82,5° N und der Auflösung der CTD-Stationen nördlich davon.

Temperatur und Salzgehalt wurden mit einem Seabird 911plus CTD an und zwischen den Schleppnetzstationen gemessen (Abb. 1c, 4d, e). Das CTD war mit einem WET Labs Fluorometer und einem Rosettensystem zum Sammeln von Wasserproben ausgestattet. Die Leitfähigkeits-, Temperatur-, Tiefen- und Sauerstoffsensoren werden einmal im Jahr vom Hersteller (Seabird) gewartet und kalibriert. An jeder Station wurden in maximaler Tiefe In-situ-Wasserproben zur Salinitätskalibrierung (Leitfähigkeitssensor) entnommen.

Die in der Studie analysierten Kreuzfahrtdaten sind im norwegischen Marine Data Centre verfügbar. CTD-Daten finden Sie unter https://doi.org/10.21335/NMDC-1814168447, ADCP-Daten unter https://doi.org/10.21335/NMDC-1175579976, Schleppnetzfangdaten unter https://doi.org/10.21335 /NMDC-194651742 und akustische Daten unter https://doi.org/10.21335/NMDC-1275935147. Meereisdaten sind unter https://osi-saf.eumetsat.int/products/sea-ice-products verfügbar.

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Diese Studie wurde vom norwegischen Forschungsrat im Rahmen des Nansen Legacy-Projekts (276730) unterstützt. Die Autoren danken dem Kapitän und der Besatzung des R/V Kronprins Haakon, die bei der Modifizierung der Schleppnetze und der Festlegung von Routinen für die Schleppnetzfischerei in eisbedeckten Gewässern hervorragende Arbeit geleistet haben. Wir möchten auch Espen Bagøien danken, der die Ausrüstung und Handbücher für die Probenahme vorbereitet hat, sowie Herdis Langøy Mørk und Jon Rønning, die die Laborproben analysiert haben.

Institut für Meeresforschung, Nordnes, BO Box 1870, 5817, Bergen, Norwegen

Randi B. Ingvaldsen, Elena Eriksen, Harald Gjøsæter, Arill Engås, Heather Cannaby und Padmini Dalpadado

Institut für Meeresforschung, Framsenteret, Stakkevollan, Postfach 6606, 9296, Tromsö, Norwegen

Birte Katarina Schuppe & Karen M. Assmann

UIT The Arctic University of Norway, Hansine Hansens veg 18, 9037, Tromsö, Norwegen

Bodil A. Bluhm

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RBI, EE und AE planten die Probenahme. AE hat den Umbau des Harstad-Schleppnetzes zusammen mit der Besatzung von R/F Kronprins Haakon durchgeführt. BKS, KMA und BAB führten die Stichprobenerhebung im Rahmen der Umfrage durch. EE und PD überprüften die Fangproben und HG prüfte die Echolotdaten. KMA verarbeitete die Meereisdaten und HC verarbeitete die VM-ADCP-Daten. Alle Autoren haben zur Analyse und zum Verfassen des Manuskripts beigetragen.

Korrespondenz mit Randi B. Ingvaldsen.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ingvaldsen, RB, Eriksen, E., Gjøsæter, H. et al. Beobachtungen unter dem Eis mit Schleppnetzen und Multifrequenzakustik im zentralen Arktischen Ozean offenbaren die Fülle und Zusammensetzung der pelagischen Fauna. Sci Rep 13, 1000 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27957-x

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Eingegangen: 06. Juni 2022

Angenommen: 10. Januar 2023

Veröffentlicht: 18. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27957-x

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