In de afgelopen 50 jaar zijn zuurstofarme zones in de open oceaan toegenomen. Wetenschappers hebben deze ontwikkeling toegeschreven aan stijgende mondiale temperaturen:minder zuurstof lost op in warmer water en de lagen van de tropische oceaan kunnen meer gelaagd raken.

Maar nu, in tegenstelling tot wijdverbreide verwachtingen, heeft een internationaal team van wetenschappers onder leiding van onderzoekers van het Max Planck Institute for Chemistry en Princeton University ontdekt dat zuurstofarme zones in het verleden tijdens lange warme periodes zijn gekrompen.

"Zo'n duidelijk effect hadden we niet verwacht", zegt Alexandra Auderset, eerste auteur van het nieuwe artikel in het tijdschrift Nature en momenteel een visiting postdoctoraal onderzoeker aan de Princeton University. Ze leidde de studie met Alfredo Martínez-García aan het Max Planck Institute for Chemistry in Mainz, als onderdeel van een langdurige samenwerking met de groep van Daniel Sigman aan de Princeton University.

Het is belangrijk om deze veranderingen te begrijpen, want "wanneer zuurstof schaars wordt, heeft het leven het moeilijker", zegt Sigman, hoogleraar geologische en geofysische wetenschappen in Dusenbury. In zuurstofarme gebieden van de oostelijke Stille Oceaan en de noordelijke Indische Oceaan kunnen bijvoorbeeld alleen gespecialiseerde microben en organismen met een langzaam metabolisme, zoals kwallen, overleven.

Het vroegere zuurstofgehalte van de oceanen kan worden afgelezen in sedimenten

De onderzoekers deden deze ontdekking door mariene sedimentarchieven te bestuderen. Boorkernen kunnen worden gebruikt om omgevingscondities uit het verleden te bepalen op een vergelijkbare manier als boomringen. De sedimentlagen geven onder meer informatie over het zuurstofgehalte van de zee in het verleden. Dit komt door plankton zoals foraminiferen, die ooit aan het zeeoppervlak leefden en waarvan de skeletten naar de zeebodem zonken, waar ze een deel van het sediment werden.

Tijdens hun leven absorbeerde dit zoöplankton chemische elementen zoals stikstof, waarvan de isotopenverhouding op zijn beurt afhing van de omgevingsomstandigheden:onder zuurstofarme omstandigheden vindt een proces plaats dat bacteriële denitrificatie wordt genoemd, waarbij bacteriën de voedingsstof nitraat omzetten in moleculaire stikstof. Deze bacteriën absorberen liever lichte isotopen van stikstof in plaats van zware, dus de verhouding verschuift in perioden dat de bacteriën actief waren in de oceanen. Wetenschappers kunnen dit meten om de omvang van eerdere zuurstofarme zones te bepalen.

De tropische Stille Oceaan was in de afgelopen warme periodes goed geoxygeneerd

Met behulp van stikstofisotopen uit foraminiferen toonden de wetenschappers uit Mainz en Princeton aan dat de denitrificatie in de waterkolom van de oostelijke tropische noordelijke Stille Oceaan sterk was verminderd tijdens twee warme fasen, ongeveer 16 en 50 miljoen jaar geleden.

"We hebben tientallen jaren gewerkt om de methoden te ontwikkelen die deze bevindingen mogelijk maakten", zei Sigman. "En meteen veranderen de resultaten onze kijk op de relatie tussen het klimaat en de zuurstofcondities van de oceaan."

Het is echter nog niet duidelijk wat dit betekent voor de huidige uitbreiding van de zuurstofarme open oceaanzones, zei Auderset. "Helaas weten we nog niet of onze bevinding van krimpende mariene zuurstofarme zones van toepassing is op de komende decennia of alleen op de veel langere termijn," zei ze. "Dit komt omdat we moeten bepalen of processen op korte of lange termijn verantwoordelijk waren voor de verandering."

Op zoek naar de oorzaak

Een belangrijke mogelijkheid voor de achteruitgang van zuurstofarme zones bij opwarming is een vermindering van de door opwelling gevoede biologische productiviteit van tropische oppervlaktewateren. Een daling van de productiviteit zou kunnen zijn opgetreden omdat de wind in de equatoriale Stille Oceaan onder een warmer klimaat verzwakte.

In de huidige studie ontdekten de auteurs ook dat tijdens de twee warme perioden van het Cenozoïcum - het midden-Mioceen klimaatoptimum ongeveer 16 miljoen jaar geleden en het vroege Eoceen klimaatoptimum ongeveer 50 miljoen jaar geleden - het temperatuurverschil tussen hoge en lage breedtegraden was veel kleiner dan nu. Zowel de opwarming van de aarde als de verzwakking van het temperatuurverschil tussen hoge en lage breedtegraden had moeten werken om de tropische winden te verzwakken, waardoor de opwelling van voedselrijk diep zeewater werd verminderd. Dit zou op zijn beurt hebben geresulteerd in een lagere biologische productiviteit aan de oppervlakte en minder dode organische stof van algen in de diepe oceaan, waardoor er minder brandstof zou zijn voor het zuurstofverbruik dat zuurstofarme omstandigheden veroorzaakt.

Deze keten van gebeurtenissen kan relatief snel plaatsvinden. Dus als een soortgelijke verandering ook van toepassing is op de door de mens veroorzaakte opwarming van de aarde, dan zou de mate van zuurstoftekort in de open oceaan in de komende decennia kunnen afnemen.

Als alternatief kan de oorzaak liggen in de Zuidelijke Oceaan, duizenden kilometers verderop. Tijdens voorbije langdurige warme perioden kan het uitwisselingswater tussen de oppervlaktewateren van de Zuidelijke Oceaan en de diepe oceaan ("de omwenteling van de diepe oceaan") zijn versneld, wat heeft geleid tot meer zuurstof in het binnenste van de oceaan als geheel en dus de zuurstofarme zones krimpen. Als een sterkere door de Zuidelijke Oceaan aangestuurde omwenteling van de diepe oceaan de belangrijkste oorzaak was van de gekrompen tropische zuurstofarme zones, dan zou dit effect op zijn vroegst meer dan honderd jaar nodig hebben om in het spel te komen.

"Beide mechanismen spelen waarschijnlijk een rol", zegt Martínez-García, een voormalig gastonderzoeker in de onderzoeksgroep van Sigman. "De race is nu begonnen om erachter te komen welk mechanisme het belangrijkst is."

Overwegend de toekomst

"Rekening houdend met onze huidige onzekerheden over de tijdschaal van verandering, hebben onze bevindingen belangrijke implicaties voor de toekomst van zuurstof in de oceaan", zei Sigman. "Vanwege de lagere oplosbaarheid van zuurstof in warm water, zal het oppervlaktewater van de wereldzee zeer waarschijnlijk blijven afnemen, maar onze bevindingen suggereren dat zuurstofarme zones in de open oceaan uiteindelijk zullen krimpen. Het netto resultaat zal een oceaan zijn met een zwakkere ruimtelijke variatie in zuurstof dan vandaag bestaat, en dit zal de ecosystemen van de oceaan beïnvloeden."

In kustwateren kan een verhoogd zuurstoftekort ecosystemen beschadigen en menselijke activiteiten bedreigen. De zuurstofarme zones van de open oceaan zijn echter fundamenteel voor de chemische en biologische cyclus van de aarde. Bovendien, als hun krimp wordt veroorzaakt door een vermindering van de tropische productiviteit, zouden de gecombineerde veranderingen waarschijnlijk slecht zijn voor de biologische productiviteit van de tropische oceaan en de visserij. Gezien de complexe cascade van effecten die gepaard gaan met klimaatveranderingen, zeiden de onderzoekers, vraagt ​​alles om inspanningen om door de mens veroorzaakte opwarming te beperken. + Verder verkennen

Zee-ijs zorgde ervoor dat zuurstof de oceaan niet kon bereiken tijdens de laatste ijstijd