Hoe kan sneeuwbedekking op de Himalaya de soorten beïnvloeden die gedijen in de Arabische Zee? Hoe kunnen veranderingen in windsnelheid en vochtigheid duizenden kilometers verderop leiden tot zorgen over voedsel en nationale veiligheid? Joaquim Goes, Helga do Rosario Gomes, en collega's op twee continenten hebben de afgelopen twee decennia geprobeerd deze raadsels te ontcijferen.

Het verhaal begint in de vroege jaren 2000, rond de tijd dat NASA's Aqua-satelliet werd gelanceerd. gaat, een specialist in teledetectie van de oceaan, onderzocht gegevens van SeaWiFS en Aqua. Hij was gefocust op chlorofyl-a, een pigment dat door oceaanfytoplankton (en planten wereldwijd) wordt gebruikt om zonlicht te benutten en om te zetten in voedselenergie. Hij concentreerde zich op observaties van fytoplanktonpopulaties in de Arabische Zee tijdens de zomermoesson, maar bij toeval keek hij naar wintergegevens. Er was veel meer chlorofyl-a dan iemand redelijkerwijs zou verwachten.

Goes dacht eerst dat het een vergissing was. Maar in het komende decennium meldingen van toenemende algen en afnemende visvangsten kwamen binnen van collega's in Zuid-Azië. Goes en Gomes maakten verschillende zeegaande expedities en zagen het met eigen ogen:de Arabische Zee wemelde van de Noctiluca scintillans, een organisme dat de afgelopen winters nauwelijks in de regio werd aangetroffen.

De afbeelding hierboven toont een bloei van Noctiluca scintillans in 2019, zoals waargenomen door de NOAA-NASA Suomi NPP-satelliet. de drijvende, microscopisch kleine organismen zijn dinoflagellaten die in een symbiotische relatie met groene algencellen leven. Zoals oceaan fytoplankton, Noctiluca scintillans kan zich onder de juiste omstandigheden snel vermeerderen. (Noctiluca gedijt vaak in zuurstofarme "hypoxische" wateren.) Drijvend met stroming, ze aggregeren in enorme massa's nabij het oppervlak. In het proces, ze kunnen zuurstof in de zee uitputten, concurreren met ander fytoplankton voor voedingsstoffen of ze consumeren voor voedsel, en verstikken kleine zoöplankton-roofdieren in hypoxische "dode zones".

"De veranderingen die we hebben gezien in het ecosysteem van de Arabische Zee behoren tot de snelste van alle oceanische waterlichamen op onze planeet, " zei Goes, een wetenschapper bij Lamont-Doherty Earth Observatory. "Het leefgebied van de zee verandert, en dat is kortsluiting in de voedselketen."

Hoe en waarom Noctiluca tot bloei is gekomen in de Arabische Zee is een ingewikkeld verhaal van onderlinge verbindingen tussen aardse systemen en de onverwachte rimpelingen die zich voortplanten door de opwarming van de aarde.

Door de menselijke geschiedenis heen, de Arabische Zee is sterk beïnvloed door moessonwinden die seizoensgebonden van richting veranderen en de richting van oceaanstromingen veranderen. In de afgelopen winters, luchttemperaturen boven het Himalaya-Tibetaanse plateau en Zuid-Azië aanzienlijk zouden dalen en droge, noordoostelijke winden die over de Arabische Zee waaien. Beurtelings, de afkoeling van het oppervlaktewater en veranderingen in dichtheid zouden zich door de waterkolom voortplanten, de pycnocline - waar de waterdichtheid verandert als gevolg van zoutgehalte en / of temperatuur - op en neer bewegen. De diepte van deze oceaanlaag beïnvloedt hoe voedingsstoffen uit de diepte opborrelen en de groei van fytoplankton voeden.

Deze winterverschuivingen in stromingen en beschikbaarheid van nutriënten voedden ooit de bloei van diatomeeën, een ander type fytoplankton. De diatomeeën waren een belangrijke schakel in een oceaanvoedselketen die de roeipootkreeftjes en vinvissen de winter door voedde en, uiteindelijk, mensen die die vissen hebben gevangen.

Maar met de opwarming van de aarde in de afgelopen decennia, er is minder sneeuw gevallen op het Himalaya-Tibetaanse plateau en er is meer sneeuw en ijs gesmolten. De temperaturen boven de hooglanden en laaglanden zijn gestegen, net als de vochtigheid. In de afgelopen twee decennia is de winterwinden die over de Arabische Zee waaien zijn warmer geworden, rustiger, en vochtiger. Als resultaat, de zeeën karnen minder en er zijn minder voedingsstoffen voor diatomeeën en de meeste andere fytoplankton.

"Met kalmere en warmere winden en wateren, er is minder ventilatie en menging, " zei Helga do Rosario Gomes, een biologische oceanograaf, ook bij Lamont-Doherty. "Dit leidt tot meer gelaagdheid en minder nitraatverrijking van onderaf. In sommige gevallen het veroorzaakt hypoxie."

Die veranderingen waren vrijwel perfect voor Noctiluca scintillans. In tegenstelling tot diatomeeën, Noctiluca can thrive when there are fewer dissolved nutrients in the water. The plots above show the coincident changes from 1980 to 2018 in the extent of snow cover over the Himalayan-Tibetan Plateau, the depth of the mixed layer in the Arabian Sea in winter, and the concentration of chlorophyll-a (an indicator of phytoplankton). The "anomaly" plots show how much each year was above or below the long-term mean for each variable. Snow extent and the depth of the mixed layer have been steadily declining, while wintertime blooms have been increasing.

"The changes observed in the Arabian Sea are an example of potential ecosystem changes that are induced by climate change, " said Laura Lorenzoni, ocean biology and biogeochemistry program scientist for NASA. "As Earth warms, we can expect greater stratification in the ocean and the migration of species poleward. There will also be greater chances of harmful algal blooms and of some more resilient species outcompeting others and shifting the entire ecosystem structure."

Scientists have modeled and speculated for years that global warming could change the snow and ice cover on the Himalayas and the Tibetan Plateau and that the effects might ripple across the sea. The belief was that the Arabian Sea would become less productive from December to March. In plaats daarvan, it has become more productive, but for an entirely different set of creatures.

"There are far less diatoms now, and so there is a clear loss of biodiversity, " said Gomes. "There used to be more copepods, sardines, kingfish, mackerel, and pelagic fish." The plankton and diatoms have been replaced by mats of Noctiluca scintillans and an over-abundance of jellyfish and salps. The finfish have been replaced by turtles, squid, and animals that can survive in lower oxygen environments.

In a 2020 research paper, Goes and Gomes used ocean color data from NASA and snow and ice cover data from the National Snow and Ice Data Center to piece the puzzle together. They found that winter chlorophyll-a in the Arabian Sea has been increasing steadily since the 1990s—as much as four times higher in some winters. Chlorophyll-a is a key pigment in ocean phytoplankton, including Noctiluca scintillans. The map above shows the trend—mostly increasing—in the Arabian Sea from 1996 to 2018.

The result is trouble for fisheries, particularly in a region with a lot of artisinal and subsistence fishing. "We are passing a tipping point, " said Goes. "The food chain has been turned upside down."

The changes are trouble for the people of the Middle East, eastern Africa, and southern Asia. An estimated 150 million people around the region rely on fishing for food and economic development. Yet the surplus of jellyfish and salps and the decrease in diatoms has depleted the food supply for edible fish."

"There will be cascading effects that will probably affect food availability for several countries in the region, " Goes said. "Noctiluca blooms, jellyfish, and salps are also posing huge challenges to desalination plants along the coast that supply freshwater to coastal Oman." Masses of jellyfish have been known to clog seawater intake pipes.

And the change to Noctiluca-dominated waters has an unusual ripple effect on national security. Noctiluca scintillans are bioluminescent:they glow when stimulated and this is especially visible at night. This trait can be used to track the movements of ships that churn up the plankton as they cruise. Sailors and pilots have been following such sparkling tracks for decades.

"There are many examples of phytoplankton running amok around the planet, " said Norman Kuring, a scientist in NASA's Ocean Biology Group. "The Baltic Sea has a new summertime normal of toxic cyanobacteria blooms. Green algae routinely clog the waters around China's Shandong Peninsula. Sargassum is becoming a real headache in the Caribbean. Lakes in the United States and globally are becoming increasingly eutrophic. There are troubling suggestions by respected scientists that our oceans may be headed towards a hypoxic, bacteria-dominated future."