En analys av sedimentkärnor från Berings hav har avslöjat ett återkommande samband mellan varmare klimat och plötsliga episoder av "döda zoner" med låg syrehalt i det subarktiska norra Stilla havet under de senaste 1,2 miljoner åren.

Den nya studien, ledd av forskare vid UC Santa Cruz, publicerades 2 juni i Vetenskapens framsteg . Fynden ger avgörande information för att förstå orsakerna till låg syrehalt eller "hypoxi" i norra Stilla havet och för att förutsäga förekomsten av hypoxiska tillstånd i framtiden.

"Det är viktigt att förstå om klimatförändringarna driver haven mot en "tipping point" för plötslig och allvarlig syrebrist som skulle förstöra ekosystem, matkällor, och ekonomier, sa förstaförfattaren Karla Knudson, som ledde studien som doktorand i geovetenskaper vid UCSC.

Forskarna baserade sina resultat på en analys av djupa sedimentkärnor från en plats i Beringshavet. Under långa tidsperioder, sediment avsätts och byggs upp på havsbotten. Aktiviteten hos organismer som lever i havsbottensedimenten stör och blandar dem vanligtvis när de ackumuleras, men om hypoxi har dödat dessa organismer, ett ordnat mönster av lager bevaras. Således, forskare kan hitta ett register över tidigare hypoxiska händelser i form av dessa skiktade eller "laminerade" sediment i kärnor som borrats från havsbotten.

Forskare har länge känt till en stor episod av utbredd hypoxi i norra Stilla havet i slutet av den senaste istiden, när inlandsisens smältning skickade ett massivt inflöde av färskvatten i havet. Den nya studien ger de första uppgifterna om tidigare händelser med låg syrehalt, och visar att den senaste händelsen inte var representativ för de flesta av dessa händelser när det gäller mekanismer eller timing.

"Det krävs inte en stor störning som smältande inlandsisar för att detta ska hända, " sa motsvarande författare Ana Christina Ravelo, professor i havsvetenskap vid UC Santa Cruz. "Dessa plötsliga hypoxiska händelser är faktiskt vanliga i det geologiska dokumentet, och de är vanligtvis inte förknippade med deglaciation. De inträffar nästan alltid under de varma mellanistiderna, som den vi är i nu."

Hypoxin uppstår efter intensiv tillväxt av växtplankton (marinalger) i ytvattnet. När växtplankton dör, de sjunker djupare ner i havet och sönderfaller, som tömmer syret och släpper ut koldioxid i vattnet under ytan. Vad som utlöser dessa händelser, dock, förblir oklart. Havets uppvärmning, höga havsnivåer, och tillgången på järn (en begränsande faktor för tillväxt av växtplankton) verkar alla spela en roll.

"Vår studie visar att höga havsnivåer, som uppstår under varma interglaciala klimat, bidrog till dessa hypoxiska händelser, " sade Knudson. "Under höga havsnivåer, löst järn från de översvämmade kontinentalsocklarna kan överföras till det öppna havet och främja intensiv växtplanktontillväxt i ytvattnet."

Även om hög havsnivå är ett viktigt bakgrundstillstånd, det räcker inte att utlösa en hypoxisk händelse av sig själv. Förändringar i havscirkulationen, inklusive intensifierad uppströmning för att föra in mer näringsämnen i ytvattnet och starkare strömmar som kan överföra järn från kontinentalsockeln till det öppna havet, kan spela en avgörande roll, sa Knudson.

För närvarande, regionala döda zoner förekommer i kustområden runt om i världen på grund av temperatureffekterna av klimatuppvärmningen, samt näringsberikning av kustvatten från jordbruksgödsel. Men även den massiva döda zonen vid Mississippiflodens mynning bleknar i jämförelse med den utbredda hypoxi som inträffade över hela norra Stilla havet i slutet av den senaste istiden.

Eftersom den nya studien är baserad på sedimentkärnor från en enda plats, forskarna vet inte omfattningen av de döda zonerna som den registrerar – om de var begränsade till Berings hav eller sträckte sig över norra Stillahavskanten som den senaste händelsen gjorde.

"Vi vet inte hur omfattande de var, men vi vet att de var väldigt intensiva och varade längre än deglaciationshändelsen som har studerats så väl, sa Ravelo, som var co-chief scientist för Integrated Ocean Drilling Program Expedition 323, som återvann Beringshavets kärnor 2009.

Knudson sa att kärnorna registrerar flera händelser under varje mellanistid under hela Pleistocen, med abrupta övergångar där laminerade sediment uppstår och försvinner i kärnan.

De nya rönen väcker oro för huruvida klimatförändringar och havsuppvärmning kommer att leda till en tipppunkt som skulle utlösa utbredd hypoxi i norra Stilla havet.

"Systemet är redo för den här typen av händelser, " sa Ravelo. "Vi måste veta hur omfattande de var, och vi måste tänka om hur dessa händelser utlöses, eftersom vi nu vet att det inte krävs en stor störning. Den här studien lägger grunden för mycket uppföljningsarbete."