Het onderzoeksteam, waar ook fysisch-chemicus Sander Woutersen (Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences) en andere onderzoekers uit Nederland en Denemarken aan deelnamen, bestudeerde hoe het verlies van zee-ijs het licht in water verandert. Zee-ijs en zeewater verschillen fundamenteel in de wijze waarop ze licht doorlaten. Zee-ijs verstrooit het licht sterk en maakt daarbij nauwelijks onderscheid in lichtkleur, waardoor veel licht wordt teruggekaatst en weinig licht diep doordringt. Het weinige licht onder het zee-ijs bevat hierdoor nog bijna alle kleuren. Zeewater absorbeert het rode en groene deel van het lichtspectrum, terwijl blauw licht viel dieper in het zeewater doordringt. Hierdoor is zeewater blauw.

Moleculaire vibraties van water

Een ander belangrijk verschil in de optische eigenschappen van ijs en vloeibaar water is de rol van moleculaire vibraties van water. In vloeibaar water hebben H₂O moleculen de vrijheid om te trillen, wat leidt tot een aantal absorptiebanden in het lichtspectrum. Deze absorptiebanden zorgen ervoor dat vloeibaar water bij een aantal specifieke golflengten een extra grote hap uit het lichtspectrum wegvangt.

Eerder onderzoek van Maayke Stomp en prof. Huisman toonde al aan dat de moleculaire vibraties van vloeibaar water leiden tot zogenaamde ‘spectrale niches’, een serie specifieke lichtkleuren die beschikbaar zijn voor de fotosynthese. Organismen zoals fytoplankton en cyanobacteriën hebben verschillende fotosynthese pigmenten ontwikkeld die elk optimaal aangepast zijn aan hun eigen spectrale niche, wat de wereldwijde verspreidingspatronen van deze pigmenten in oceanen, kustwateren en meren bepaalt.

In ijs zijn de watermoleculen echter vastgezet in een kristalrooster. Deze structuur beperkt de bewegingsvrijheid van de moleculen en verandert daardoor de manier waarop licht geabsorbeerd wordt. In ijs zijn vrijwel geen absorptiebanden, waardoor onder ijs een veel breder lichtspectrum behouden blijft. Dit fundamentele verschil draagt bij aan de verandering in lichtkleur die optreedt bij het smelten van zee-ijs.

Ecologische implicaties

Het gevolg van deze fundamentele verschillen in optische eigenschappen is dat wanneer zee-ijs plaatsmaakt voor open water, het lichtspectrum verschuift van een breed scala aan kleuren naar de diepblauwe kleur van de open oceaan. Die spectrale verschuiving blijkt van cruciaal belang te zijn voor de fotosynthese.

“De fotosynthese pigmenten van algen onder het ijs zijn geëvolueerd om optimaal gebruik te maken van het weinige licht dat in meerdere kleuren door dik ijs en sneeuw doordringt,” legt Monika Soja-Woźniak uit. “Wanneer het ijs smelt komen ze in een blauwe wereld terecht, waarop deze organismen minder goed zijn afgestemd.”

De onderzoekers gebruikten optische modellen en spectrale metingen om aan te tonen dat deze verandering in lichtsamenstelling niet alleen de fotosynthese beïnvloedt, maar ook kan leiden tot een verschuiving in de soorten die floreren in de veranderende omgeving. Zo kunnen algensoorten die gespecialiseerd zijn in blauw licht een sterk concurrentievoordeel krijgen ten opzichte van de ijsalgen.

Volgens prof. Jef Huisman heeft deze dynamiek verstrekkende ecologische implicaties. “Fotosynthetische algen vormen de basis van het Arctisch voedselweb. Veranderingen in hun productiviteit of soortensamenstelling kunnen doorwerken naar andere soorten in het voedselweb, zoals vissen, zeevogels en zeezoogdieren. Bovendien levert fotosynthese een belangrijke bijdrage aan de natuurlijke CO₂ invang door de oceanen”

Het onderzoek maakt duidelijk dat klimaatverandering in de poolgebieden niet alleen leidt tot het verdwijnen van ijs, maar ook fundamentele verschuivingen veroorzaakt in andere cruciale processen zoals lichttransmissie en energieopname in het ecosysteem.

De resultaten benadrukken de noodzaak om meer aandacht te besteden aan het lichtspectrum en de fotosynthese in klimaatmodellen en oceaanvoorspellingen, vooral in poolgebieden waar de snelheid van klimaatverandering ongekend hoog is.

Publicatiegegevens:

Soja-Woźniak M, Holtrop T, Woutersen S, van der Woerd HJ, Lund-Hansen LC & Huisman J. 2025. Loss of sea ice alters light spectra for aquatic photosynthesis. Nature Communications 16: 4059. doi.org/10.1038/s41467-025-59386-x