Gebiete mit sauerstoffarmem Wasser erstrecken sich Tausende von Kilometern durch die Weltmeere. Die größte dieser „Sauerstoffminimumzonen“ (OMZs) befindet sich entlang der Pazifikküste Nord- und Südamerikas, zentriert vor der Küste Mexikos.
Bis vor kurzem konnten Klimamodelle nicht sagen, ob OMZs durch den Klimawandel wachsen oder schrumpfen werden, teilweise weil OMZs aus zwei gegensätzlichen Prozessen resultieren: Sauerstoffzufuhr durch die Meereszirkulation und Sauerstoffverbrauch durch Meereslebewesen.
Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Laure Resplandy von Princeton zuversichtlich vorhergesagt, dass sich die Grenzen der pazifischen OMZ, der größten des Planeten, um bis zu 2 Millionen zusätzliche Kubikmeilen (8 Millionen Kubikkilometer) ausdehnen werden – sowohl nach oben zur Meeresoberfläche als auch nach außen in Richtung Küste – bis zum Ende des Jahrhunderts.
Dies ist aus zwei Gründen von Bedeutung, sagte Resplandy, ein biogeochemischer Ozeanograph und Assistenzprofessor für Geowissenschaften und das High Meadows Environmental Institute in Princeton. Zum einen werden lebenswichtige Arten wie Thunfisch und Krabben bei sinkendem Sauerstoffgehalt nicht in der Lage sein, sich zu ernähren, zu schwimmen oder sich fortzupflanzen, es sei denn, sie ziehen in Meeresregionen mit mehr Sauerstoff um. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Ökosysteme in Küstennähe und die von ihnen abhängigen Industrien, von der Fischerei bis zum Tourismus. Zweitens sind OMZs eine bedeutende Quelle von Lachgas, einem wichtigen Treibhausgas.
Die erfolgreichen Projektionen ihres Teams sind nicht nur auf neue und bessere Modelle zurückzuführen, obwohl sie die neueste Suite, das Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6), verwenden. Die wichtigste Erkenntnis, sagte Resplandy, war das Verständnis, dass die OMZ nicht einheitlich ist, sondern Schichten „wie eine Zwiebel“ hat, die unterschiedlich auf steigende Treibhausgase reagieren.
Grundsätzlich bestehen OMZs aus einer äußeren Schicht und einem inneren Kern, und die neuen Modelle zeigen, dass der Kern schrumpft, während sich die äußere Schicht ausdehnt.
In früheren Arbeiten wurden OMZ-Änderungen unter Verwendung der Zwischenschichten zwischen der sich ausdehnenden äußeren Schicht und dem sich zusammenziehenden Kern bewertet, wo nur kleine Verschiebungen gefunden wurden – manchmal positiv, manchmal negativ. „Die Veränderungen waren nahezu Null, und verschiedene Modelle zeigten widersprüchliche Trends, einige führten zu einer Erweiterung und andere zu einer Kontraktion der OMZ. Es sah nach einer Diskrepanz aus“, sagte Julius Busecke, der die Forschung als Postdoktorand in Princeton leitete und der jetzt physikalischer Ozeanograph an der Columbia University ist.
„Wir dachten, Klimamodelle seien widersprüchlich, mit Trends überall“, sagte Resplandy. „Aber wir wissen jetzt, dass wir die falsche Frage gestellt haben – zu fragen, ob wir eine Expansion oder Kontraktion erwarten sollten, anstatt in Betracht zu ziehen, dass es beides sein könnte.
Forscher erstellten diese Visualisierung der Sauerstoffminimumzone des Pazifiks aus Beobachtungen und dem Weltozeanatlas 2018. Die Farben zeigen ungefähr den Kern (lila), der fast keinen Sauerstoff enthält und sich zusammenzieht, die sauerstoffarme äußere Schicht (orange), die sich ausdehnt, und eine Übergangszone dazwischen (rosa). Animation von Julius Busecke in Zusammenarbeit mit Bane Sullivan
„Wir begannen mit einem ganzheitlicheren Ansatz und untersuchten die Entwicklung dieser verschiedenen Zwiebelschalenschichten, wobei die äußere für die Ökosysteme am wichtigsten und der Kern für die Lachgasproduktion wichtig ist“, sagte sie. „Da stellten wir fest, dass sich die Modelle eigentlich nicht widersprachen. Sie waren sich einig, dass sich die äußere Schicht ausdehnen und ein Problem für Ökosysteme darstellen würde, der Kern sich jedoch zusammenziehen und möglicherweise weniger Lachgas produzieren würde.“
Ihr neues mehrschichtiges Gerüst löste jahrelange Frustration. „Seit 15 Jahren kreisen wir um das gleiche Rätsel: Mit der globalen Erwärmung verliert der Ozean Sauerstoff, also erwarten wir, dass sich die Sauerstoffminimumzonen ausdehnen, aber unsere Klimamodelle zeigten widersprüchliche Trends“, sagte Resplandy. „In unseren Papieren schrieben Klimamodellierer: ‚Die Modelltrends sind inkonsistent, also wissen wir nicht, welche Auswirkungen auf Ökosysteme und Lachgas sein werden.‘ Ich war es leid, diese Sätze zu schreiben. Ich war es leid, sie zu lesen. Als ich vor fünf Jahren nach Princeton kam, sagte ich mir: ‚OK, wir müssen dieses Problem lösen.‘ Es war eine Besessenheit von mir.“
Die Entwicklung des mehrschichtigen Rahmens war „eine Menge Arbeit, aber ich bin sehr froh, dass wir endlich einen Sinn für zukünftige OMZ-Projektionen haben“, sagte sie.
Die Modelle ihres Teams zeigen, dass die tropische pazifische OMZ bis 2100 um 6 bis 8 Millionen Kubikkilometer – etwa 1,4 bis 2 Milliarden Kubikmeilen oder etwa 0,6 % des Volumens der Weltmeere – wachsen wird, wenn die hohen Treibhausgasemissionen anhalten. Über viel seiner Fläche wird es sich wahrscheinlich um 5 bis 50 Meter (16 bis 160 Fuß) zur Oberfläche ausdehnen.
Umgekehrt zeigen die neuen Modelle, dass sich der Kern der OMZ, wo der Sauerstoffgehalt am niedrigsten ist, zusammenzieht, wenn sich die äußere Schicht ausdehnt.
Das ist ein kleiner Vorteil. Der OMZ-Kern produziert Distickstoffmonoxid, daher kann das Schrumpfen die Menge dieses Treibhausgases begrenzen, die in die Atmosphäre freigesetzt wird. „Ich denke, dass es wahrscheinlich eine gute Nachricht ist, dass diese Kernregion nicht aufgebläht ist“, sagte Busecke.
Zufällig entdeckten Paläo-Ozeanographen in Danny Sigmans Labor in Princeton Anfang dieses Jahres, dass sauerstoffarme Zonen vor 15 bis 50 Millionen Jahren zu einer verringerten Lachgasproduktion während warmer Perioden führten. Sie hatten winzige ausgestorbene Kreaturen verwendet, um zu berechnen, wie hoch der Sauerstoff- und Stickstoffgehalt gewesen war.
„Es ist sehr interessant, die Ergebnisse der Paläo-Ozeanographie zu sehen“, sagte Busecke. „Sie sind völlig unabhängig von unseren Klimamodellen und unterstützen unsere Erkenntnisse, dass der OMZ-Kern in Zukunft trotz Erwärmung schrumpfen könnte. Das gibt uns die Zuversicht, dass wir auf dem richtigen Weg sind und vorankommen können.“
„Diverging fates of the Pacific Oxygen minimum zone and its core in a warming world“ von Julius JM Busecke, Laure Resplandy, Sam J. Ditkovsky und Jasmin G. John wurde am 23. November in der Zeitschrift veröffentlicht AGU Fortschritte.
Mehr Informationen:
Julius JM Busecke et al, Diverging Fates of the Pacific Ocean Oxygen Minimum Zone and Its Core in a Warming World, AGU Fortschritte (2022). DOI: 10.1029/2021AV000470