Wissenschaftler entdecken, dass sauerstoffarme Zonen unter vergangenen Warmzeiten geschrumpft sind

In den letzten 50 Jahren haben die sauerstoffarmen Zonen im offenen Ozean zugenommen. Wissenschaftler führen diese Entwicklung auf steigende globale Temperaturen zurück: In wärmerem Wasser löst sich weniger Sauerstoff, und die Schichten des tropischen Ozeans können stärker geschichtet werden.

Doch nun hat ein internationales Team von Wissenschaftlern unter Leitung von Forschern des Max-Planck-Instituts für Chemie und der Princeton University entgegen weit verbreiteter Erwartungen herausgefunden, dass sauerstoffarme Zonen in der Vergangenheit während langer Warmperioden geschrumpft sind.

„Wir hatten einen so deutlichen Effekt nicht erwartet“, sagte Alexandra Auderset, Erstautorin des neuen Artikels in der Zeitschrift Natur und derzeit Gastwissenschaftler an der Princeton University. Sie leitete die Studie zusammen mit Alfredo Martínez-García am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz im Rahmen einer langfristigen Zusammenarbeit mit der Gruppe von Daniel Sigman an der Princeton University.

Es ist wichtig, diese Veränderungen zu verstehen, denn „wenn Sauerstoff knapp wird, hat es das Leben schwerer“, sagte Sigman, Dusenbury-Professor für geologische und geophysikalische Wissenschaften. Beispielsweise können in sauerstoffarmen Regionen des östlichen Pazifiks und des nördlichen Indischen Ozeans nur spezialisierte Mikroben und Organismen mit einem langsamen Stoffwechsel – wie Quallen – überleben.

In Sedimenten lässt sich der vergangene Sauerstoffgehalt der Ozeane ablesen

Die Forscher machten diese Entdeckung, indem sie marine Sedimentarchive untersuchten. Bohrkerne können verwendet werden, um vergangene Umweltbedingungen ähnlich wie Baumringe zu bestimmen. Die Sedimentschichten geben unter anderem Aufschluss über den Sauerstoffgehalt des Meeres in der Vergangenheit. Verantwortlich dafür ist Plankton wie Foraminiferen, die einst an der Meeresoberfläche lebten und deren Skelette auf den Meeresboden sanken, wo sie Teil des Sediments wurden.

Dieses Zooplankton nahm im Laufe seines Lebens chemische Elemente wie Stickstoff auf, deren Isotopenverhältnis wiederum von den Umgebungsbedingungen abhing: Unter sauerstoffarmen Bedingungen findet eine sogenannte bakterielle Denitrifikation statt, bei der Bakterien den Nährstoff Nitrat in molekularen Stickstoff umwandeln. Diese Bakterien nehmen lieber leichte statt schwere Stickstoffisotope auf, sodass sich das Verhältnis in Zeiten verschiebt, in denen die Bakterien in den Ozeanen aktiv waren. Wissenschaftler können dies messen, um das Ausmaß früherer sauerstoffarmer Zonen zu bestimmen.

Der tropische Pazifik war während vergangener Warmzeiten gut mit Sauerstoff versorgt

Anhand von Stickstoffisotopen aus Foraminiferen zeigten die Wissenschaftler aus Mainz und Princeton, dass die Denitrifikation in der Wassersäule des östlichen tropischen Nordpazifik während zweier Warmphasen vor etwa 16 und 50 Millionen Jahren stark zurückging.

„Wir haben jahrzehntelang daran gearbeitet, die Methoden zu entwickeln, die diese Erkenntnisse ermöglichten“, sagte Sigman. „Und sofort verändern die Ergebnisse unsere Sicht auf die Beziehung zwischen dem Klima und den Sauerstoffbedingungen des Ozeans.“

Was dies für die derzeitige Ausdehnung der sauerstoffarmen Zonen im offenen Ozean bedeutet, sei jedoch noch nicht klar, sagte Auderset. „Leider wissen wir noch nicht, ob unsere Entdeckung der schrumpfenden sauerstoffarmen Zonen im Meer auf die kommenden Jahrzehnte anwendbar ist oder nur auf einen viel längeren Zeitraum“, sagte sie. „Denn wir müssen klären, ob kurz- oder langfristige Prozesse für die Veränderung verantwortlich waren.“

Suche nach der Ursache

Eine führende Möglichkeit für den Rückgang sauerstoffarmer Zonen unter Erwärmung beinhaltet eine Verringerung der durch den Auftrieb angetriebenen biologischen Produktivität tropischer Oberflächengewässer. Ein Rückgang der Produktivität könnte eingetreten sein, weil die Winde im äquatorialen Pazifik unter wärmerem Klima schwächer wurden.

In der aktuellen Studie fanden die Autoren außerdem heraus, dass während der beiden Warmzeiten des Känozoikums – dem Klimaoptimum des mittleren Miozäns vor etwa 16 Millionen Jahren und dem Klimaoptimum des frühen Eozäns vor etwa 50 Millionen Jahren – der Temperaturunterschied zwischen hohen und niedrigen Breiten anstieg war viel kleiner als heute. Sowohl die globale Erwärmung als auch die Abschwächung der Temperaturunterschiede zwischen hohen und niedrigen Breitengraden sollten dazu beitragen, tropische Winde zu schwächen und das Aufsteigen von nährstoffreichem Tiefseewasser zu verringern. Dies wiederum hätte zu einer geringeren biologischen Produktivität an der Oberfläche und einem geringeren Absinken toter organischer Algensubstanz in die Tiefsee geführt, wodurch weniger Brennstoff für den Sauerstoffverbrauch bereitgestellt würde, der zu sauerstoffarmen Bedingungen führt.

Diese Kette von Ereignissen kann relativ schnell eintreten. Wenn also eine ähnliche Veränderung auch für die vom Menschen verursachte globale Erwärmung gilt, dann könnte es in den kommenden Jahrzehnten zu einem Rückgang des Ausmaßes des Sauerstoffmangels im offenen Ozean kommen.

Alternativ kann die Ursache im Südpolarmeer liegen, Tausende Kilometer entfernt. Während vergangener längerer Warmperioden könnte sich der Wasseraustausch zwischen den Oberflächengewässern des Südlichen Ozeans und der Tiefsee beschleunigt haben („Deep Ocean Overturning“), was zu einem höheren Sauerstoffgehalt im Ozeaninneren insgesamt und damit zu einer Verkleinerung der sauerstoffarmen Zonen geführt hat. Wenn stärkere Tiefseeumwälzungen durch den Südpolarmeer die Hauptursache für die geschrumpften tropischen Sauerstoffmangelzonen wären, dann würde es frühestens mehr als hundert Jahre dauern, bis dieser Effekt zum Tragen kommt.

„Wahrscheinlich spielen beide Mechanismen eine Rolle“, sagt Martínez-García, ehemaliger Gastwissenschaftler in Sigmans Forschungsgruppe. „Jetzt geht es darum, herauszufinden, welcher Mechanismus am wichtigsten ist.“

In Anbetracht der Zukunft

„Unter Berücksichtigung unserer derzeitigen Unsicherheiten über die Zeitskala der Veränderungen haben unsere Ergebnisse wichtige Auswirkungen auf die Zukunft des Ozeansauerstoffs“, sagte Sigman. „Aufgrund der geringeren Löslichkeit von Sauerstoff in warmem Wasser werden die Oberflächengewässer des globalen Ozeans sehr wahrscheinlich weiter abnehmen, aber unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die sauerstoffarmen Zonen des offenen Ozeans schließlich schrumpfen werden. Das Nettoergebnis wird ein Ozean mit schwächerem Raum sein Schwankungen im Sauerstoffgehalt als heute, und dies wird sich auf die Ökosysteme der Ozeane auswirken.“

In Küstengewässern kann ein erhöhter Sauerstoffmangel Ökosysteme schädigen und menschliche Aktivitäten bedrohen. Die sauerstoffarmen Zonen des offenen Ozeans sind jedoch grundlegend für den chemischen und biologischen Kreislauf der Erde. Wenn ihre Schrumpfung außerdem durch eine Verringerung der tropischen Produktivität verursacht wird, dann wären die kombinierten Veränderungen wahrscheinlich schlecht für die biologische Produktivität des tropischen Ozeans und seine Fischerei. Angesichts der komplexen Wirkungskaskade im Zusammenhang mit klimatischen Veränderungen, sagten die Forscher, erfordert alles Anstrengungen, um die vom Menschen verursachte Erwärmung zu begrenzen.