Een analyse van sedimentkernen uit de Beringzee heeft een terugkerend verband onthuld tussen warmere klimaten en abrupte afleveringen van zuurstofarme "dode zones" in de subarctische noordelijke Stille Oceaan in de afgelopen 1,2 miljoen jaar.

De nieuwe studie, geleid door onderzoekers van UC Santa Cruz, werd gepubliceerd op 2 juni in wetenschappelijke vooruitgang . De bevindingen bieden cruciale informatie voor het begrijpen van de oorzaken van lage zuurstof of "hypoxie" in de noordelijke Stille Oceaan en voor het voorspellen van het optreden van hypoxische aandoeningen in de toekomst.

"Het is essentieel om te begrijpen of klimaatverandering de oceanen naar een 'omslagpunt' duwt voor abrupte en ernstige hypoxie die ecosystemen zou vernietigen, voedselbronnen, en economieën, " zei eerste auteur Karla Knudson, die de studie leidde als afgestudeerde student aardwetenschappen aan UCSC.

De onderzoekers baseerden hun bevindingen op een analyse van diepe sedimentkernen van een locatie in de Beringzee. Gedurende lange tijd, sedimenten worden afgezet en hopen zich op op de zeebodem. De activiteit van organismen die in de zeebodemsedimenten leven, verstoort en vermengt ze gewoonlijk terwijl ze zich ophopen, maar als hypoxie die organismen heeft gedood, een geordend patroon van lagen blijft behouden. Dus, wetenschappers kunnen een record vinden van hypoxische gebeurtenissen in het verleden in de vorm van deze gelaagde of "gelamineerde" sedimenten in kernen die uit de zeebodem zijn geboord.

Wetenschappers weten al lang van een grote episode van wijdverbreide hypoxie in de noordelijke Stille Oceaan aan het einde van de laatste ijstijd, toen het smelten van de ijskappen een enorme toestroom van zoet water de oceaan in stuurde. De nieuwe studie levert de eerste gegevens op van eerdere zuurstofarme gebeurtenissen, en laat zien dat het meest recente voorval niet representatief was voor de meeste van deze gebeurtenissen in termen van mechanismen of timing.

"Er is geen enorme verstoring zoals smeltende ijskappen nodig om dit te laten gebeuren, " zei corresponderende auteur Ana Christina Ravelo, hoogleraar oceaanwetenschappen aan UC Santa Cruz. "Deze abrupte hypoxische gebeurtenissen komen eigenlijk veel voor in het geologische record, en ze worden meestal niet geassocieerd met deglaciatie. Ze gebeuren bijna altijd tijdens de warme interglaciale perioden, zoals die waarin we nu zitten."

De hypoxie treedt op na intense groei van fytoplankton (zeealgen) in het oppervlaktewater. Als het fytoplankton sterft, ze zinken dieper in de oceaan en ontbinden, die de zuurstof uitput en kooldioxide afgeeft aan het water onder het oppervlak. Wat triggert deze gebeurtenissen, echter, blijft onduidelijk. Opwarming van de oceaan, hoge zeespiegel, en de beschikbaarheid van ijzer (een beperkende factor voor de groei van fytoplankton) lijken allemaal een rol te spelen.

"Onze studie toont aan dat hoge zeespiegels, die voorkomen tijdens warme interglaciale klimaten, bijgedragen aan deze hypoxische gebeurtenissen, "Zei Knudson. "Tijdens hoge zeespiegels, opgelost ijzer van het ondergelopen continentaal plat kan worden overgebracht naar de open oceaan en een intense groei van fytoplankton in het oppervlaktewater bevorderen."

Hoewel hoge zeespiegel een belangrijke achtergrondvoorwaarde is, het is niet voldoende om op zichzelf een hypoxische gebeurtenis te veroorzaken. Veranderingen in de oceaancirculatie, inclusief intensievere opwelling om meer voedingsstoffen in het oppervlaktewater te brengen en sterkere stromingen die ijzer van het continentale plat naar de open oceaan zouden kunnen overbrengen, een cruciale rol kunnen spelen, zei Knudson.

Momenteel, regionale dode zones komen voor in kustgebieden over de hele wereld als gevolg van de temperatuureffecten van klimaatopwarming, evenals nutriëntenverrijking van kustwateren uit landbouwmeststoffen. Maar zelfs de enorme dode zone aan de monding van de rivier de Mississippi verbleekt in vergelijking met de wijdverbreide hypoxie die zich aan het einde van de laatste ijstijd overal in de Noord-Stille Oceaan voordeed.

Omdat de nieuwe studie is gebaseerd op sedimentkernen van een enkele locatie, de onderzoekers weten niet de omvang van de dode zones die het registreert - of ze zich beperkten tot de Beringzee of zich uitstrekten over de rand van de Noordelijke Stille Oceaan, zoals de meest recente gebeurtenis deed.

"We weten niet hoe uitgebreid ze waren, maar we weten wel dat ze erg intens waren en langer duurden dan de deglaciatie die zo goed is bestudeerd, " zei Ravelo, die co-chief scientist was van Integrated Ocean Drilling Program Expedition 323, die in 2009 de Beringzee-kernen herstelden.

Knudson zei dat de kernen meerdere gebeurtenissen registreren tijdens elke interglaciale periode gedurende het Pleistoceen, met abrupte overgangen waar gelamineerde sedimenten verschijnen en verdwijnen in de kern.

De nieuwe bevindingen geven aanleiding tot bezorgdheid over de vraag of klimaatverandering en de opwarming van de oceaan zullen leiden tot een omslagpunt dat wijdverbreide hypoxie in de noordelijke Stille Oceaan zou veroorzaken.

"Het systeem is klaar voor dit soort evenementen, " zei Ravelo. "We moeten weten hoe uitgebreid ze waren, en we moeten heroverwegen hoe deze gebeurtenissen worden geactiveerd, omdat we nu weten dat er geen enorme verstoring voor nodig is. Deze studie vormt de basis voor veel vervolgwerk."