简介

北极海冰是覆盖在地球最北端海洋上的一层冻结的水。海冰不断移动以回应洋流还有风，而且对温度的变化也很敏感。它曾经有几米厚，夏天只会部分融化。随着当前气候变化导致的气温上升，越来越多的冰在夏季融化。这意味着现在大部分冰盖都是年轻而薄的，因为它只有一个冬天的生长时间[1］．这些变化对气候系统和生活在北冰洋的生物产生了影响(在[1])。例如，冰层厚度的变化会影响到达海洋的阳光和热量。更多的热量积聚在地表水导致冰的生长减少和进一步的冰融化。冰层下更多的阳光使海洋中更多的藻类生长。自藻类和陆地上的植物一样负责食物生产，所以了解北冰洋中会生长多少种类的藻类是很重要的。这将帮助我们预测其他生物，如鱼类和海鸟将如何反应。2015年，我们在北极参加了一次研究考察，以收集有助于我们应对这一挑战的数据。

在这次考察中，一艘名为兰斯的挪威科考船停靠在北冰洋的海冰上(图1，2；［2])。这艘船在没有使用马达的情况下，随海冰漂流了半年。2015年1月至6月，我们以该船为基地，对大气、冰层、海洋进行了测量，如温度、积雪深度、冰层厚度、藻类数量和种类(图2)．考察队的测量结果告诉我们，由于持续的气候变化，北冰洋出现了新的特征。要了解更多关于这个项目的信息，请访问我们的网页www.npolar.no nice2015或者在社交媒体上寻找#nice2015arctic的标签。在这里，我们将解释我们的发现，海冰的变化如何影响藻类、海冰和海底的“家园”栖息地．

是什么让藻类在它们生长的地方生长?

作为海冰生物学家，我们对藻类的研究特别感兴趣。海洋中几乎所有的食物都是由藻类产生的，藻类能够像陆地植物一样利用阳光产生有机糖。这个过程叫做光合作用．在水柱和海冰内部，藻类非常小，分别被称为浮游植物和冰藻类。

春天，我们惊奇地发现海冰下的水中生长着大量的浮游植物[3.］．通常情况下，只有很少的阳光能照射到海冰下面的水中，因为阳光会被白色的冰雪反射掉。大多数浮游植物都属于这一物种棕囊藻属pouchetii但是此属（图2 d)．这种藻类是单细胞的，但细胞可以连接在一起形成菌落，直径可达0.2毫米，可以用肉眼看到。

春天晚些时候，我们的探险接近尾声时，在厚厚的积雪和相对薄的冰层之间的一层冰层上，我们发现了大量的藻类。图2 e；［4])。通常情况下，冰藻类的主要栖息地是与海水相互作用的冰底部。当我们在显微镜下分析这些藻类群落时，我们发现它们由通常在水柱中发现的物种组成，例如链形成硅藻（图2 f)．这些物种在海冰中并不常见。

为了弄清楚这些藻类是如何在冰雪之间结束的，以及是什么使藻类在这些栖息地(即不同类型的“家园”)中生长成为可能，我们求助于海洋学和海冰物理学的同事，了解前几个月冰盖发生了什么。图3)．

风暴将浮冰打碎成小块

我们在考察中观察到的一些最令人兴奋的过程发生在几次强烈的冬季风暴中。这些来自南方的风暴带来了强风、气温的急剧变化和强降雪[5］．

风暴期间的强风把冰推来推去，把它打碎成碎片，使它更脆弱，更变形，更像一块巨石。5］．这就打开了开阔的水域，也就是所谓的引线。最终，这些引线被薄冰覆盖，但与被雪覆盖的厚冰相比，它们仍然可以让大量的阳光穿过[6］．

将我们所有的发现联系起来，我们发现引线使藻类能够在海冰下生长，通过允许藻类光合作用所需的阳光通过[3.］．我们发现的藻类，棕囊藻属pouchetii但是此属与其他藻类相比，它能更好地适应厚冰下的弱光和铅下的强光之间的变化，这可能解释了它在这种冰下的成功[3.］．

大雪将冰面推到水下，使其泛滥

在我们的考察过程中，我们的同事，海冰物理学家，意外地在海冰上发现了一层很深的积雪。这层雪大约有半米厚。在冬天早些时候的几场风暴中，积雪堆积在海冰上。5］．

我们发现，与深厚的雪层相比，海冰非常薄。雪的蓬松质地使它成为冰面上非常有效的隔热毯。与寒冷的大气相比，这使冰保持温暖，因此可以防止冰在寒冷的冬天变厚。

有几次，我们看到大雪的重量把冰面压到了水位以下。想象一下坐在游泳池里的花车上。这导致冰雪被海水淹没，形成了一层雪泥。与水一起，少量的藻类被带到冰的顶部。这些藻类的作用方式与种子相似，并在泥泥层中形成了藻类群落，这解释了我们发现水柱物种的原因。冰泥为藻类的生长和繁殖提供了良好的环境，因为那里比冰下有更多的阳光，而且吃冰泥的动物(浮游动物)也更少。4］．

海冰也可以从下面融化

冰的融化也会使其相对于积雪更薄、更轻，并导致地表洪水。除了在春天和夏天被阳光融化之外，即使海水只有几度的温度，海冰也可以从下面融化。在风暴期间，强风搅动冰和冰下的海洋，将更深层次的温暖水混合到表层，在表层融化冰。7］．这是一个发生在北极某些地区的特殊过程，在那里，来自北大西洋的温暖洋流在冰盖下流入北极。图1)．这种温暖的大西洋海水通常温度约为2°C，比零下2°C的北极海水高几度。随着全球海洋变暖，我们可以预期，在未来的某个时候，即使没有风暴的帮助，海洋也能从下面融化海冰:海洋表面下的温暖大西洋海水只需要5°C就能非常有效地融化海冰，而不需要风暴引起的额外搅拌[8］．

结论——未来的北极会是什么样的藻类?

我们认为，在这次探险中，我们看到了北极新藻类生命的前景。我们知道冰正在变薄，因此积雪相对于冰可能会变厚。这可能会使泥层的发生更加普遍，并使其成为未来藻类的重要栖息地。更频繁的风暴造成的更深的积雪覆盖也可能使它更常见。

冬季风暴越来越频繁，这可能是由于气候变化。随着北极海冰持续变薄，它对这些冬季风暴越来越敏感。我们预计，未来冰层会更容易破裂，让更多的阳光穿过，这可能会让藻类更频繁地在冰层下生长。

我们的研究有助于预测北极海冰覆盖的不同部分如何应对气候变化，以及北极如何生态系统结果可能会改变。然而，仍有几个问题我们没有答案:例如，这种情况已经在北极周围发生了吗?它将如何向北极发展?当夏天所有的冰都融化了，海洋会是什么样子?什么样的藻类会生活在未来的北极?还有很多东西要去发现!

术语表

北极：↑北极是位于地球最北端的一个极地地区，通常被定义为北极圈(北纬66°33′)以北的地区。北极约60%的面积是海洋，其中大部分全年都被海冰覆盖。

海冰：↑海冰是冻结的海水。它在海洋中形成、生长、融化。相比之下，冰山、冰川和冰架形成于陆地上，由压实的雪中的淡水构成。

洋流：↑洋流描述了水从一个地方到另一个地方的运动，类似于大气中的风。洋流由风、水密度差异和潮汐驱动。洋流通过将赤道的温水和两极的冷水推到地球周围来影响地球的气候。

藻类：↑这种生物生长在水中，可以像陆地上的植物一样固定大气中的碳。在北极高纬度地区，藻类是微小的单细胞生物。

栖息地：↑生态环境:具有一定环境条件的地方或地区，某些类型的生物生活在其中

光合作用：↑藻类和植物在阳光的帮助下，将大气或水中的无机碳转化为有机化合物，如糖，以供它们生长的过程。其他生物依靠这些糖和其他化合物作为食物。此外，氧气在这个过程中被释放出来。

硅藻：↑一种单细胞藻类，它的壁是由一种叫做硅酸盐的矿物质构成的，就像玻璃一样。它们在海洋中非常丰富，是北极食物网的重要组成部分。硅藻有许多不同的种类，可以在显微镜下辨认。

生态系统：↑生态系统是由相互联系的生物体及其环境组成的一组或群落。海洋生态系统的例子包括珊瑚礁、深海，当然还有北极生态系统。

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。

致谢

“N-ICE2015”活动由挪威极地研究所前冰、气候和生态系统中心领导和支持。挪威研究委员会的“繁荣还是萧条”项目(no。244646)是活动的生物部分的核心，包括在N-ICE2015活动期间支持香港。MF-M得到了挪威外交部和气候与环境部资助的Arktis 2030计划(ID Arctic项目)的支持。我们也要感谢N-ICE2015项目负责人和科学家同事，以及RV Lance的船长和船员的帮助。AM感谢ARC极端气候卓越中心(CE170100023)的支持。PI得到了挪威研究委员会287871项目的支持。

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参考文献

[1]↑Meier, W. N.， Hovelsrud, G. K.， van Oort, B. E. H.， Key, J. R.， Kovacs, K. M.， Michel, C.等。2014。转变中的北极海冰:最近观察到的变化和对生物学和人类活动的影响的回顾。启“。51:185 - 217。rg000431 doi: 10.1002/2013

[２]↑格兰斯科格，m.a.，阿斯米，P.， Gerland, S.， Spreen, G.， Steen, H.和Smedsrud, L. H. 2016。北极薄冰研究:北极海冰损失的后果。Eos反式。AGU的．97:22-6。eo044097 doi: 10.1029/2016

[3]↑Assmy, P.， Fernández-Méndez, M.， Duarte, P.， Meyer, A.， Randelhoff, A.， Mundy, C. J.等。2017。北极浮冰中的铅使早期浮游植物在冰雪覆盖的海冰下大量繁殖。科学。代表。7:40850。doi: 10.1038 / srep40850

[4]↑Fernández-Méndez, M.， Olsen, L. M.， Kauko, H. M.， Meyer, A.， Rösel, A.， Merkouriadi, I.，等。2018。变化中的北冰洋海藻热点:海冰脊和冰雪界面。前面。3月科学。5:75。doi: 10.3389 / fmars.2018.00075

［5］↑Graham, r.m.， Itkin, P.， Meyer, A.， Sundfjord, A.， Spreen, G.， Smedsrud, L. H.等。2019。冬季风暴加速了北冰洋大西洋部分海冰的消融。科学。代表。9:9222。doi: 10.1038 / s41598 - 019 - 45574 - 5

[6]↑考科，H. M.， Taskjelle, T.，阿斯米，P.，巴甫洛夫，A. K.，芒迪，C. J.，杜阿尔特，P.等。2017。北极海冰上的窗户:再冻结铅中的光透射和冰藻类。j .地球物理学。Biogeosci >,122:1486 - 505。jg003626 doi: 10.1002/2016

[7]↑Meyer A, Fer I, Sundfjord A. 2017。从北极冬季到春季斯瓦尔巴群岛北部的混合速率和垂直热通量。j .地球物理学。海洋》．122:4569 - 86。jc012441 doi: 10.1002/2016

[8]↑Duarte, P.， Sundfjord, A.， Meyer, A.， Hudson, S. R.， Spreen, G.和Smedsrud, L. H. 2020。温暖的大西洋海水解释了斯瓦尔巴群岛北部观测到的海冰融化速度。j .地球物理学。海洋》．．125 e2019jc015662。jc015662 doi: 10.1029/2019