Klimatförändringarna värmer snabbt jorden och förändrar ekosystemen på land och till havs som producerar vår mat. I haven, den mesta tillförda värmen från klimatuppvärmningen är fortfarande nära ytan och det kommer att ta århundraden att arbeta ner i djupare vatten. Men när detta händer, det kommer att förändra havets cirkulationsmönster och göra havets näringskedjor mindre produktiva.

I en nyligen genomförd studie, Jag arbetade med kollegor från fem universitet och laboratorier för att undersöka hur klimatuppvärmningen fram till år 2300 kan påverka marina ekosystem och globala fiske. Vi ville veta hur långvarig uppvärmning skulle förändra tillgången på viktiga näringsämnen som stödjer litet plankton, som i sin tur är mat för fisk.

Vi fann att uppvärmning i denna skala skulle förändra nyckelfaktorer som driver marina ekosystem, inklusive vindar, vattentemperaturer, havsisen och havscirkulationen. De resulterande störningarna skulle överföra näringsämnen från ytvattnet ner i djuphavet, lämnar mindre kvar på ytan för att stödja planktontillväxt.

I takt med att marina ekosystem blir alltmer näringssvältande med tiden, Vi uppskattar att den globala fiskfångsten kan minska med 20 procent till 2300, och med nästan 60 procent över Nordatlanten. Detta skulle vara en enorm minskning av en viktig matkälla för miljontals människor.

Havsmatproduktion och den biologiska pumpen

Marin livsmedelsproduktion startar när solen skiner på havets yta. Encellig, mestadels mikroskopiska organismer som kallas växtplankton – havens växter – använder solljus för att fotosyntetisera och växa i en process som kallas nettoprimärproduktion. De kan bara göra detta i havets solbelysta ytskikt, ner till cirka 100 meter (330 fot). Men de behöver också näringsämnen för att växa, särskilt kväve och fosfor, som kan vara knappa i ytvatten.

Växtplankton konsumeras av djurplankton (små djur), som i sin tur ger mat åt små fiskar, och så vidare hela vägen upp i näringskedjan till topp rovdjur som delfiner och hajar. Okonsumerat växtplankton och annat organiskt material, som döda djurplankton och fiskar, sönderfalla i ytvatten, frigör näringsämnen som stödjer ny växtplanktontillväxt.

En del av detta material sjunker ner i det djupare havet, tillhandahålla mat till djuphavsekosystem. Kol, kväve, Fosfor och andra näringsämnen i detta sjunkande organiska material bryts slutligen ned och frigörs på djupet.

Denna process, som är känd som den biologiska pumpen, tar kontinuerligt bort näringsämnen från ytvatten och överför dem till det djupare havet. Under normala förhållanden, vindar och strömmar orsakar blandning som så småningom för näringsämnen tillbaka upp till det solbelysta ytvattnet. Om detta inte hände, växtplanktonet skulle slutligen ta slut på näringsämnen, vilket skulle påverka hela havets näringskedja.

Havs is, vindar och näringsuppväxt

Näringsämnen som sjunker till djuphavet återvänder så småningom till ytan främst i södra oceanen runt Antarktis. norr om Antarktis, starka västliga vindar driver ytvattnet bort från Antarktis. När detta händer, djupa havsvatten som är rika på näringsämnen stiger upp till ytan runt Antarktis, ersätter vattnet som trängs undan. Zonen där denna uppströmning sker kallas Antarctic Divergence.

Idag finns det inte mycket växtplankton i södra oceanen. Tungt havsis täcker hindrar mycket solljus från att nå haven. Koncentrationerna av järn (ett annat viktigt näringsämne) i vattnet är låga, och kallvattentemperaturer begränsar planktontillväxthastigheten. Som ett resultat, det mesta kväve och fosfor som rinner upp i detta område rinner norrut i ytvatten. Så småningom, när dessa näringsämnen når varmare vatten över de lägre breddgraderna, de stödjer planktontillväxt över större delen av Stilla havet, Indiska och Atlantiska oceanerna.

Fånga näringsämnen i djuphavet

Vår studie visade att ihållande, global uppvärmning under flera århundraden kan kortsluta denna process, lämnar alla havsområden norr om denna antarktiska zon alltmer hungriga på kväve och fosfor.

Vi använde en klimatmodellsimulering som antog att nationer fortsatte att använda fossila bränslen tills de globala reserverna var uttömda. Denna klimatväg skulle höja den genomsnittliga ytlufttemperaturen med 9,6 grader Celsius (17,2 grader Fahrenheit) till 2300 - nästan 10 gånger uppvärmningen bortom förindustriella nivåer som registrerats fram till idag. Forskare vet redan att polerna värms upp snabbare än resten av planeten, och i detta scenario fortsätter det mönstret. Så småningom skulle haven inte längre frysa nära polerna, även på vintern.

Varmare havsvatten utan havsis, med hjälp av förändringar i vindar som också drivs av stark klimatuppvärmning, skulle avsevärt förbättra tillväxtförhållandena runt Antarktis för växtplankton. Denna ökade tillväxt skulle fånga näringsämnen som väller upp nära Antarktis, förhindrar dem från att strömma norrut och stödjer ekosystem på låg latitud över hela världen.

I vår simulering, dessa fångade näringsämnen blandas så småningom tillbaka till djuphavet och ackumuleras där. Kväve- och fosforkoncentrationer i den övre 1, 000 meter (3, 300 fot) av havet minskar stadigt. I det djupa havet, under 2, 000 meter, de ökar stadigt.

Mycket färre fiskar

I takt med att marina ekosystem blir allt mer näringssvältade, Tillväxten av växtplankton och nettoprimärproduktionen i de flesta av världens hav skulle minska. Vi uppskattar att när dessa effekter strömmar upp i näringskedjan, globala fiskfångster skulle kunna minskas med 20 procent till 2300, med minskningar på mer än 50 procent över Nordatlanten och flera andra regioner. Dessutom, i slutet av vår simulering pågick fortfarande nettoöverföring av näringsämnen till djuphavet, vilket tyder på att ekosystemets produktivitet och potentiella fiskefångster skulle minska ytterligare efter 2300.

Så småningom, efter mer än tusen år, det mesta av koldioxiden som mänskliga aktiviteter har tillfört atmosfären kommer att absorberas av haven, och jordens klimat kommer att svalna igen. Havsisen kommer att återvända till polarhaven, undertrycka tillväxten av växtplankton runt Antarktis och låta mer uppsvällda näringsämnen flöda norrut igen till lägre breddgrader. Men även då, det kommer att ta århundraden mer för havscirkulationen att helt fylla på näringsämnen i övre havet.

Havets resurser är redan i dag stressade. Cirka 90 procent av världens marina fiske är fullfiskade eller överfiskade. Världens befolkning beräknas öka från 7,3 miljarder år 2015 till 11 miljarder år 2100. De effekter som vi fann i vår studie skulle få allvarliga konsekvenser för den globala livsmedelsförsörjningen. Expandera vattenbruk, eller ännu mer drastiska steg som att direkt gödsla haven för att stimulera planktontillväxt, skulle inte ens komma i närheten av att kompensera för förlusten av näringsämnen till djuphavet som drivs av ihållande global uppvärmning.

Vår simulering baserades på ett starkt klimatuppvärmningsscenario. Mer forskning behövs för att utforska hur varmt klimatet måste bli för att smälta havsisen och initiera näringsfångst i södra oceanen. Men det här är helt klart en tipppunkt som vi inte vill passera.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.