Under de senaste 50 åren har syrebristzoner i det öppna havet ökat. Forskare har tillskrivit denna utveckling stigande globala temperaturer:Mindre syre löses i varmare vatten, och det tropiska havets lager kan bli mer skiktade.

Men nu, i motsats till utbredda förväntningar, har ett internationellt team av forskare ledda av forskare från Max Planck Institute for Chemistry och Princeton University upptäckt att syrebristzoner krympte under långa varma perioder tidigare.

"Vi hade inte förväntat oss en så tydlig effekt", säger Alexandra Auderset, första författare till den nya artikeln i tidskriften Nature och för närvarande gästande postdoktor vid Princeton University. Hon ledde studien med Alfredo Martínez-García vid Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, som en del av ett långsiktigt samarbete med Daniel Sigmans grupp vid Princeton University.

Att förstå dessa förändringar är viktigt eftersom "när syre blir ont har livet svårare", säger Sigman, Dusenbury professor i geologiska och geofysiska vetenskaper. Till exempel, i regioner med låg syrehalt i östra Stilla havet och norra Indiska oceanen kan endast specialiserade mikrober och organismer med långsam metabolism – som maneter – överleva.

Den tidigare syrehalten i haven kan avläsas i sediment

Forskarna gjorde denna upptäckt genom att studera marina sedimentarkiv. Borrkärnor kan användas för att bestämma tidigare miljöförhållanden på liknande sätt som trädringar. Sedimentlagren ger bland annat information om syrehalten i havet förr. Detta beror på plankton som foraminifer, som en gång levde vid havsytan och vars skelett sjönk till havsbotten där de blev en del av sedimentet.

Under sin livstid absorberade dessa djurplankton kemiska grundämnen som kväve, vars isotopförhållande i sin tur berodde på miljöförhållanden:Under syrebrist sker en process som kallas bakteriell denitrifikation, där bakterier omvandlar näringsämnet nitrat till molekylärt kväve. Dessa bakterier föredrar att absorbera lätta isotoper av kväve istället för tunga, så förhållandet skiftar i perioder då bakterierna var aktiva i haven. Forskare kan mäta detta för att fastställa omfattningen av tidigare syrebristzoner.

Det tropiska Stilla havet var väl syresatt under tidigare varma perioder

Med hjälp av kväveisotoper från foraminifer visade forskarna från Mainz och Princeton att denitrifikationen i vattenpelaren i det östra tropiska norra Stilla havet minskade kraftigt under två varma faser för cirka 16 och 50 miljoner år sedan.

"Vi har arbetat i årtionden för att utveckla metoderna som möjliggjorde dessa fynd", säger Sigman. "Och genast förändrar resultaten vår syn på förhållandet mellan klimat och havets syreförhållanden."

Det är dock ännu inte klart vad detta betyder för den nuvarande expansionen av de syrebristande öppna havszonerna, sa Auderset. "Tyvärr vet vi ännu inte om vårt fynd av krympande marina syrebristzoner är tillämpligt på de kommande decennierna eller bara på mycket längre sikt," sa hon. "Detta beror på att vi måste lösa om kort- eller långtidsprocesser var ansvariga för förändringen."

Söker efter orsaken

En ledande möjlighet för nedgången i syrebristzoner under uppvärmning innebär en minskning av den uppströmsdrivna biologiska produktiviteten i tropiska ytvatten. En nedgång i produktiviteten kunde ha inträffat på grund av att vindarna försvagades i det ekvatoriala Stilla havet under varmare klimat.

I den aktuella studien fann författarna också att under de två varma perioderna av kenozoikum – mitten av miocenklimatet för cirka 16 miljoner år sedan och det tidiga eocena klimatoptimumet för cirka 50 miljoner år sedan – temperaturskillnaden mellan höga och låga breddgrader var mycket mindre än för närvarande. Både den globala uppvärmningen och försvagningen av temperaturskillnaden från hög till låg latitud borde ha fungerat för att försvaga tropiska vindar, vilket minskade uppkomsten av näringsrikt djuphavsvatten. Detta skulle i sin tur ha resulterat i lägre biologisk produktivitet vid ytan och mindre sjunkande av dött algorganiskt material i djuphavet, vilket ger mindre bränsle för syreförbrukningen som ger syrebristtillstånd.

Denna händelsekedja kan inträffa relativt snabbt. Således, om en liknande förändring även gäller för mänskligt driven global uppvärmning, kan det bli en minskning av omfattningen av syrebrist i öppna hav under de kommande decennierna.

Alternativt kan orsaken ligga i södra oceanen, tusentals kilometer bort. Under tidigare långvariga varma perioder kan utbytesvattnet mellan södra oceanens ytvatten och djuphavet (”djuphav som välter”) ha accelererat, vilket leder till högre syre i havets inre som helhet och därmed krympt lågsyrezonerna. Om en starkare vältning av djuphavet som drivs av södra oceanen var huvudorsaken till de krympta tropiska syrebristzonerna, skulle denna effekt tidigast ta mer än hundra år att träda i kraft.

"Båda mekanismerna spelar förmodligen en roll", säger Martínez-García, en tidigare gästforskare i Sigmans forskargrupp. "Kopplingen pågår nu för att ta reda på vilken mekanism som är viktigast."

Tänker på framtiden

"Med tanke på vår nuvarande osäkerhet om förändringens tidsskala, har våra fynd viktiga konsekvenser för framtiden för havets syre," sade Sigman. "På grund av den lägre lösligheten av syre i varmt vatten är det mycket troligt att det globala havets ytvatten kommer att fortsätta att minska, men våra fynd tyder på att syrebristzoner i öppna hav så småningom kommer att krympa. Nettoresultatet blir ett hav med svagare rumslig yta. variation i syre än vad som finns idag, och detta kommer att påverka havets ekosystem."

I kustvatten kan ökad syrebrist skada ekosystemen och hota mänskliga aktiviteter. De syrebristzoner i det öppna havet är dock grundläggande för jordens kemiska och biologiska kretslopp. Dessutom, om deras krympning orsakas av en minskning av tropisk produktivitet, skulle de kombinerade förändringarna sannolikt vara dåliga för det tropiska havets biologiska produktivitet och dess fiske. Med tanke på den komplexa kaskad av effekter som är förknippade med klimatförändringar, sa forskarna, allt kräver ansträngningar för att begränsa mänskligt driven uppvärmning. + Utforska vidare

Havsisen höll syre från att nå djuphavet under den senaste istiden