Dreifache Krise im Ozean – Teil Zwei: Der Sauerstoff wird knapp

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Fortsetzung der Untersuchung des tödliches Trios von CO2-getriebenen Angriffen auf das Leben im Ozean. Hier geht es zum ersten Teil.

Rote Punkte markieren ‚tote Zonen‘ an der Küste, wo der Sauerstoff auf 2 Milligramm pro Liter oder weniger gesunken ist. Blaue Bereiche im offenen Ozean haben den gleichen niedrigen Sauerstoffgehalt. Quelle: GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel.


„Der Sauerstoffverlust der Ozeane ist neben der globalen Erwärmung und Versäuerung der Ozeane das dritte, aber weniger bekannte Mitglied einer bösen Klimawandel-Trinität. Es ist nicht so sehr ein weiterer Schuh, der aus unserem CO2-Ausstoß herausfällt, sondern vielmehr ein großer Stiefel, der auf die Ökosysteme der Ozeane eintritt, mit erheblichen Auswirkungen für hunderte Millionen Menschen, die für ihren Lebensunterhalt von den Ozeanen abhängig sind, und mit Rückkopplungen auf das Klima. -Skeptical Science[1]

Der Ozean verliert seinen Atem, mit tödlichen Auswirkungen auf das Leben im Meer und die biogeochemischen Zyklen, die die gesamte Biosphäre formen.

Seit 1960 haben sich die sauerstoffarmen Gebiete im offenen Ozean um 4,5 Millionen Quadratkilometer ausgedehnt, eine Fläche von der Größe der Europäischen Union. Einige Regionen haben 40% ihres Sauerstoffs verloren, und das Volumen des sauerstofffreien Wassers hat sich mehr als vervierfacht. Der Ozean verliert jedes Jahr etwa eine Milliarde Tonnen Sauerstoff. Bei den derzeitigen Raten wird sich der Rückgang des lebensspendenden Sauerstoffs im Ozean bis 2100 verdreifachen. Zählt man das zu der schnell wachsenden Zahl der toten Küstenzonen hinzu, dann haben wir einen lebensnotwendigen Notfall.

Insgesamt ist der Sauerstoffgehalt des Ozeans nur um 2% gesunken, aber der Rückgang hat fast ausschließlich in den Teilen des Ozeans stattgefunden, in denen das Leben im Meer normalerweise am reichlichsten ist, so dass die Auswirkungen weit größer sind, als dieser Prozentsatz vermuten lässt.

Frühere Artikel in dieser erweiterten Serie über metabolische Risse haben zwei ökologische Schwemme untersucht, die durch den dem Kapitalismus innewohnenden Drang entstanden sind, um jeden Preis zu expandieren: die Stickstoffschwemme, die durch die Abhängigkeit der industriellen Landwirtschaft von chemisch-synthetischen Düngemitteln entstanden ist, und die Kohlendioxidschwemme, die durch die Abhängigkeit des Kapitalismus von fossilen Brennstoffen entstanden ist. Beide stören die biogeochemischen Zyklen, die die Biosphäre seit Hunderten von Millionen Jahren geformt haben, und verursachen beispiellose Risse im Stoffwechsel des Erdsystems.

Die Sauerstoffkrise der Ozeane wird durch die Stickstoff- und Kohlendioxidschwemme in verschiedenen Teilen des Ozeans angetrieben.

In Küstengebieten und Flussmündungen verursachen Millionen Tonnen synthetischen Stickstoffdüngers, der von den Flüssen mitgeführt wird, saisonal bedingte tote Zonen in den Küstengebieten auf der ganzen Welt. Ungefähr 900 solcher Zonen sind identifiziert worden, und es gibt zweifellos Hunderte weitere. Wissenschaftler:innen untersuchen die toten Zonen an den Küsten seit den 1980er-Jahren, und es gibt eine breite Übereinstimmung über ihre Ursachen und Auswirkungen. Dies wurde in diesem Artikel diskutiert.[2].

Dieser Artikel konzentriert sich auf eine parallele Entwicklung, die erst in den letzten 15 Jahren oder so untersucht wurde – das Wachstum von hypoxischen (sauerstoffarmen) und anoxischen (sauerstofffreien) Gebieten im offenen Ozean, verursacht durch die globale Erwärmung. Sie sind nicht immer physisch von den toten Küstenzonen getrennt – in der Ostsee und im Arabischen Meer zum Beispiel überschneiden sie sich – aber sie entwickeln und dehnen sich unterschiedlich aus.

Der gesamte im Meerwasser gelöste Sauerstoff, egal wie tief, entstand an oder nahe der Oberfläche in einem von zwei Prozessen.

– Es gibt einen ständigen Austausch von Sauerstoffmolekülen (O2) zwischen der Atmosphäre und dem Ozean, an der Grenzfläche zwischen Luft und Meer. Einfach ausgedrückt: O2 aus der Luft löst sich im Wasser und O2 aus dem Wasser perlt in die Luft.

– Wesentlich mehr O2 wird von Pflanzen, insbesondere Phytoplankton, produziert, die auf und im Wasser wachsen. Für die Photosynthese wird Sonnenlicht benötigt, und selbst in sehr klarem Wasser dringt das Licht weniger als 200 Meter tief in das Wasser ein. Diese euphotische Zone (euphotisch ist griechisch für gut beleuchtet) ist der Ursprung von fast der Hälfte des Sauerstoffs auf der Welt und des größten Teils der Versorgung des Ozeans.

Im größten Teil des Ozeans werden die oberen 200 Meter oder so als die Oberfläche oder gemischte Schicht bezeichnet. Wellen, windgetriebene Strömungen und Konvektion rühren ständig ihrem Inhalt, wodurch Temperatur, Salzgehalt und Gehalt an gelösten Gasen ungefähr gleichförmig sind. Gelöster Sauerstoff breitet sich relativ schnell und gleichmäßig in der Mischschicht aus.

Typische Meeresschichten. Die Temperatur fällt schnell in der Sprungschicht, zwischen der gemischten Schicht (über 200 Meter) und der tiefen Schicht (unter 1000 Meter), wo die Temperatur nahezu konstant ist. Die Tiefen variieren je nach Breitengrad und Jahreszeit. Quelle: Wikimedia Commons

Die gemischte Schicht wird direkt durch das Sonnenlicht erwärmt und ständig mit Süßwasser aus Flüssen, Regen und schmelzendem Eis aufgefüllt, so dass sie leichter (weniger dicht) ist als das Wasser darunter, wo ein plötzlicher Temperaturabfall die Sprungschicht definiert, eine kältere und dichtere Schicht, die die gemischte Schicht von der kalten und sich sehr langsam bewegenden tiefen Schicht trennt, die etwa 90% des Volumens und der Masse des Ozeans ausmacht. Die Dicke der Sprungschicht variiert mit den Jahreszeiten und dem Breitengrad – in den Polarmeeren gibt es sie und die gemischte Schicht kaum – aber im größten Teil des Ozeans erstreckt sie sich von 200 bis 1000 Meter unter der Oberfläche.

Eine Vielzahl von Prozessen, die insgesamt als Ventilation bekannt sind, bewegen einen Teil des Mischwassers und den darin enthaltenen Sauerstoff in die Sprungschicht. Die Verteilung des Sauerstoffs hängt von lokalen, regionalen und globalen Strömungen, Gezeiten, lokaler Topographie, unvorhersehbaren Turbulenzen und anderen Faktoren ab und ist daher ungleichmäßig. Am bemerkenswertesten ist, dass in einigen Teilen der Sprungschicht eine Kombination aus schwächer Ventilation und Sauerstoff verbrauchenden Mikroorganismen zu Taschen führt, die Sauerstoffminimumzonen (OMZ, Oxygen Minimum Zones) genannt werden. Der größte Teil der Sprungschicht in dieser Tiefe wimmelt von Fischen, aber das Leben in einer OMZ ist größtenteils auf Mikroben beschränkt, die mit sehr wenig oder gar keinem O2 überleben können.

Vereinfachte Karte der thermohalinen Zirkulation. Blau: Kalter, tiefer Fluss. Rot: Warme Oberflächenströmung. Quelle: NOAA.

Ein anderer und viel langsamerer Prozess spielt eine große Rolle bei der Verteilung von Sauerstoff in der Tiefsee. Wenn das Wasser im Nordatlantik gefriert, hinterlässt es Salz und bildet eine dichte Sole-Schicht, die auf den Grund sinkt und sich langsam nach Süden bewegt und den Sauerstoff mitbringt, den es an der Oberfläche aufgenommen hat. So beginnt die thermohaline Zirkulation, eine langsame Tiefseeströmung, die fast 20 Millionen Kubikmeter Wasser pro Sekunde transportiert – 100 Mal mehr als der Amazonasfluss – und Sauerstoff und Nährstoffe durch die Tiefe des Ozeans verteilt. [3] Ein voller Kreislauf dauert etwa 1000 Jahre. Bis das Wasser aus der Nähe von Grönland den Nordpazifik erreicht, ist der meiste Sauerstoff verschwunden: dies trägt zur Bildung einer OMZ im westlichen Beringmeer und dem Golf von Alaska bei.

Klimawandel versus Sauerstoff

Wie wir im ersten Teil gesehen haben, ist die Versäuerung der Ozeane eine direkte Folge der in die Höhe schießenden CO2-Emissionen. Der Sauerstoffverlust der Ozeane hat die gleiche Ursache: Treibhausgase heizen die Welt auf, und über 90% dieser zusätzlichen Wärme wurde von der Oberflächenschicht des Ozeans absorbiert, wodurch der Gesamtsauerstoff des Ozeans reduziert und die Sauerstoffminimumzonen erweitert werden.

Die Forschung über die Details des Sauerstoffentzugs ist im Gange, aber es ist klar, dass der Klimawandel für die meisten Sauerstoffverluste im offenen Ozean verantwortlich ist. Drei temperaturabhängige Prozesse – Löslichkeit, Schichtung und Zirkulation sowie der aerobe Stoffwechsel – rauben dem Ozean den Atem.

Löslichkeit. Grundlegende Physik: Wenn Wasser wärmer wird, kann es weniger gelösten Sauerstoff enthalten. Ein bestimmtes Wasservolumen in der Arktis kann mehr Sauerstoff aufnehmen als das gleiche Volumen am Äquator. Wenn die Wassertemperatur von 4ºC auf 6ºC ansteigt, sinkt die Sauerstoffmenge, die das Wasser aufnehmen kann, um 5%.

Viele Jahrtausende lang war der wechselseitige Gastransfer über die Luft-Meer-Grenzfläche ausgeglichen, so dass die Menge an gelöstem Sauerstoff im Ozean in etwa konstant blieb. Irgendwann im letzten halben Jahrhundert wurde dieses Gleichgewicht gebrochen: der sich erwärmende Ozean begann, mehr Sauerstoff abzugeben, als es aufgenommen hat. Eine neuere Studie schätzt, dass zwischen 1975 und 2005 der Netto-Sauerstoffverlust des Ozeans an die Atmosphäre im Durchschnitt mehr als eine Milliarde Tonnen pro Jahr betrug. Wenn die Erwärmung anhält, könnte sich diese Ausgasung bis 2100 fast verdreifachen.[4]

Schichtung und Zirkulation. Wie wir gesehen haben, ist der Ozean nach Temperatur und Salzgehalt in drei scharf abgegrenzte Schichten geteilt, wobei die am wenigsten dichte Schicht oben liegt. Der Klimawandel hat die Dichte der obersten Schicht weiter reduziert, indem er das Wasser erwärmt, die Niederschläge erhöht und die Gletscher schmelzen lässt. Das macht es für sauerstoffreiches Wasser noch schwieriger, sich in die Sprungschicht zu bewegen.

Die verringerte Löslichkeit bedeutet, dass insgesamt weniger Sauerstoff vorhanden ist, und die erhöhte Schichtung verringert den Anteil des Sauerstoffs, der unter der gemischten Schicht zirkuliert. Seit 1960 sind die Sauerstoffminimumzonen in der Sprungschicht um 20% gewachsen, von etwas mehr als 25 Millionen Quadratkilometern auf 30,4 Millionen – auf 8% der Gesamtfläche des Ozeans und 7% seines Volumens.[5]

Die globale Erwärmung schwächt auch die thermohanile Zirkulation: der nordatlantische Teil führt jetzt 15% weniger Wasser als 1960. Bisher wurden keine Auswirkungen auf den Sauerstoffgehalt der Tiefsee gemessen; dies könnte auf die langsame Geschwindigkeit der Strömung oder auf begrenzte Probenahmen von Tiefseewasser zurückzuführen sein. Man schätzt, dass bei den derzeitigen Erwärmungsraten die Zirkulation der Tiefsee bis 2100 um bis zu 45% abnehmen wird[6].

Stoffwechselraten. Wenn die Temperatur steigt, beschleunigen sich fast alle chemischen Prozesse, einschließlich der komplexen biochemischen Reaktionen, die das Leben in allen Organismen aufrechterhalten. Die Stoffwechselrate steigt proportional zur Temperatur – die Organismen brauchen mehr Sauerstoff, um dasselbe Aktivitätsniveau aufrechtzuerhalten. Der Effekt ist bei warmblütigen Tieren wie uns kaum spürbar, da unser Körper immer sehr viel Energie verbraucht, um einen stabilen Zustand zu erhalten. Aber die Atmungsrate von Kaltblütern, zu denen fast alle Meeresbewohner gehören, erhöht sich erheblich, wenn das Wasser wärmer wird.[7]

Also – während geringere Löslichkeit und stärkere Schichtung die Zufuhr von gelöstem Sauerstoff im Meerwasser verringern, erhöht die aerobe Atmung den Verbrauch.

Es ist schwierig, die relativen Auswirkungen jedes der drei Prozesse zu quantifizieren, aber bisher scheinen Löslichkeit und Schichtung größere Sauerstoffreduktionen verursacht zu haben als erhöhte Atmung. Das wird sich wahrscheinlich ändern, wenn die globalen Temperaturen steigen, denn die Auswirkungen der Hitze auf den Stoffwechsel sind exponentiell. Laut einer kürzlich durchgeführten Studie „wird bei einer Erwärmung um 2°C der Sauerstoffverbrauch der Ozeane um 29% und bei einer Erwärmung um 3°C um 50% ansteigen, was zu einer großflächigen Hypoxie der Ozeane führt“[8].

Konsequenzen

„Sauerstoff ist grundlegend für das Leben in den Ozeanen. Der Rückgang des Sauerstoffs in den Ozeanen zählt zu den gravierendsten Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Umwelt der Erde“ – Denise Breitburg, Senior Scientist, Smithsonian Environmental Research Center [9]

Ein Ocean Anoxic Event (OAE) ist ein Zeitraum, in dem der Gehalt an gelöstem Sauerstoff in einem großen Teil des Ozeans auf (oder nahe) Null sinkt. Das ist viele Male in der langen Geschichte der Erde passiert, zuletzt vor etwa 94 Millionen Jahren, als der Verlust von Sauerstoff einen großen Teil des Meereslebens auslöschte. Wie Wissenschaftler:innen, die mit der Woods Hole Oceanographic Institution assoziiert sind, darauf hinweisen, sind die Bedingungen der Ozeane heute denen ähnlich, die vor dieser Krise vorherrschten, und sie verschlechtern sich rapide.

„Unter den derzeit prognostizierten Kohlenstoffemissionen scheint eine größere Störung realistisch. Ohne positives menschliches Eingreifen werden die alten OAE-Studien in nicht allzu ferner Zukunft unangenehm anwendbar sein.“[10]

Wir sind noch nicht in einem OAE, aber wenn sich der Sauerstoffverlust weiter beschleunigt, ist ein großflächiges Aussterben der Meerestiere so gut wie sicher. Sogar auf dem gegenwärtigen Niveau des Sauerstoffentzugs ist der Schaden beträchtlich.

„Die zahlreichen Beweise aus temperierten Meeres-Ökosystemen und einige Studien aus tropischen Meeres-Ökosystemen zeigen, dass Hypoxie-Stress oft zu einer katastrophalen Vereinfachung des Ökosystems durch den Verlust der Artenvielfalt, der trophischen Komplexität und der Fischerei führt.“[11]

Tatsächlich ist jede Verringerung des verfügbaren Sauerstoffs, nicht nur Hypoxie, für die meisten Meeresbewohner problematisch. Obwohl einige Meerestiere, wie z.B. Quallen, von der Sauerstoffreduktion nur wenig betroffen sind, gehen andere bei einem auch nur geringfügigen Rückgang zurück.[12] Infolgedessen kippt das Bevölkerungsgleichgewicht in Gebieten, in denen der Sauerstoffgehalt sinkt, schnell in Richtung hypoxiatoleranter Arten. Andere fliehen oder sterben.

Der Sauerstoffmangel bedroht nicht nur direkt das Leben und die Lebensräume der Meeresorganismen, sondern stört auch den globalen Stickstoffkreislauf. Seit Hunderten von Millionen Jahren spielen natürlich vorkommende Sauerstoffminimumzonen eine Schlüsselrolle im Stickstoffzyklus, da die Bakterien, die reaktive Stickstoffverbindungen (Nr) in inertes Stickstoffgas (N2) umwandeln, nur in Abwesenheit von Sauerstoff dazu angeregt werden. Die Ausdehnung der OMZs bedeutet, dass immer mehr Mikroben dem Ozean reaktiven Stickstoff entziehen, was den Kreislauf aus dem Gleichgewicht bringt und die Verfügbarkeit von essentiellen Nährstoffen für das Meeresleben verringert.

Außerdem produzieren die Bakterien, wenn sie Nr in Gegenwart geringer Mengen Sauerstoff in N2 umwandeln – das ist in den meisten Teilen der OMZs der Fall – auch Distickstoffoxid (N2O), ein Treibhausgas, das etwa 300 Mal stärker ist als Kohlendioxid und außerdem die Ozonschicht abbaut. Mehrere Studien haben große Mengen an N2O gefunden, die von der Meeresoberfläche über den OMZs aufsteigen. Dies ist ein klassisches positives Feedback – die globale Erwärmung beschleunigt die Produktion von Distickstoffoxid, was wiederum die globale Erwärmung beschleunigt.

Schließlich ist es wichtig, daran zu denken, dass Sauerstoffabbau nicht isoliert geschieht – zum Beispiel erhöhen Organismen, die mehr Sauerstoff verbrauchen, auch die Versäuerung, indem sie mehr Kohlendioxid ausatmen, und Fische, die versuchen, sauerstoffarmem Wasser zu entkommen, finden alternative Standorte zu sauer. Im dritten Teil dieser Artikelreihe wird die dritte Komponente des tödlichen Trios untersucht, die Erwärmung der Ozeane. Wie wir gesehen haben, tragen höhere Wassertemperaturen zur Versäuerung und Sauerstoffverlust bei, aber sie spielen auch eine direkte Rolle bei der Zerstörung der Meeresökosysteme.


Deutsche Übersetzung eines Artikels erschienen bei Climate&Capitalism. Hier geht es zum ersten Teil.


Quellen und Anmerkungen

[1] Howard Lee, “Ocean Oxygen – Another Climate Shoe Dropping,” Skeptical Science, May 18, 2016.

[2] Ian Angus, “Dead Zones: Industrial Agriculture versus Ocean Life,” Climate & Capitalism, August 12, 2020.

[3] Kaltes Wasser tritt auch in der Nähe der Antarktis in das „Fließband“ ein, und der Rückweg führt warmes Wasser aus den Tropen in den Norden. Jeder ausgewählte „Anfang“ dieses riesigen Stoffwechselzyklus ist willkürlich.

[4] Changyu Li et al., “Increasing Escape of Oxygen From Oceans Under Climate Change,” Geophysical Research Letters, June 2020.

[5] Scientific Committee on Oceanic Research, “How Oxygen Minimum Zones Form”; A. Paulmier and D. Ruiz-Pino, “Ocean Minimum Zones (OMZs) in the Modern Ocean,” Progress in Oceanography 80, no. 3-4 (2009), 113-128.

[6] L. Caesar et al., “Observed Fingerprint of a Weakening Atlantic Ocean Overturning Circulation,” Nature 556, April 12, 2018; S. Rahmstorf, “New Studies Confirm Weakening of the Gulf Stream Circulation (AMOC),” Real Climate, September 17, 2020.

[7] Historische Anmerkung: Die Formel zur Berechnung der Auswirkung von erhöhter Wärme auf die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen wurde von Svante Arrhenius entdeckt, dem schwedischen Wissenschaftler, der 1896 als erster zeigte, dass CO2-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe die globale Erwärmung verursachen können.

[8] John G. Shepherd et al., “Ocean Ventilation and Deoxygenation in a Warming World: Introduction and Overview,” Philosophical Transactions of the Royal Society A, September 07, 2017, 6.

[9] Zitiert in “The Ocean Is Losing Its Breath. Here’s the Global Scope,” SERC news release, January 4, 2018.

[10] Chadlin M. Ostrander, Jeremy D. Owens, and Sune G. Nielsen, “Constraining the Rate of Oceanic Deoxygenation Leading Up to a Cretaceous Oceanic Anoxic Event (OAE-2: ~94 Ma),” Science Advances, August 9, 2017.

[11] David J. Hughes et al., “Coral Reef Survival Under Accelerating Ocean Deoxygenation,” Nature Climate Change, March 2020.

[12] Guy Claireaux and Denis Chabot, “The Significance of Ocean Deoxygenation for the Physiology of Marine Organisms,” in Ocean Deoxygenation: Everyone’s Problem, ed. D. Laffoley and J. M. Baxter (Gland, Switzerland: IUCN, 2019), 461.

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