Zuurstofminimumzone: de uitdijende 'verstikkingslagen' in onze oceanen
Stel je een laag in de oceaan voor waar vissen amper kunnen ademen, terwijl er water in overvloed is. Dat klinkt tegenstrijdig, maar het is precies wat een zuurstofminimumzone is: een gebied op enkele honderden tot ruim duizend meter diepte waar de hoeveelheid opgeloste zuurstof zo laag wordt dat de meeste dieren er niet kunnen overleven. Zie het als een verdieping in een gebouw waar de ventilatie het al jaren laat afweten: de lucht is er niet weg, maar er zit simpelweg te weinig bruikbare zuurstof in om normaal te functioneren.
Deze zones zijn geen nieuw fenomeen; ze bestaan al miljoenen jaren op vaste plekken in de wereldzeeen. Wat wel verandert, is hun omvang. Door de opwarming van de aarde worden zuurstofminimumzones op meerdere plekken groter en intenser, met gevolgen voor vis, visserij en zelfs het klimaat zelf. Dat maakt het een onderwerp dat oceanografen, klimaatwetenschappers en beleidsmakers steeds nauwlettender volgen.
Wat is het precies?
De oceaan is opgebouwd uit lagen. Aan de oppervlakte zorgen wind en golven voor menging met de lucht, waardoor er relatief veel zuurstof in het water zit. Dieper dan zo'n duizend meter is het water juist weer relatief zuurstofrijk, omdat het daar vandaan komt uit koude, zuurstofrijke gebieden bij de polen die langzaam als een soort onderstroom de wereld rond bewegen.
Precies daartussenin, meestal tussen de 200 en 1000 meter diepte, kan een laag ontstaan met heel weinig zuurstof. Dat komt door een combinatie van twee factoren. Ten eerste: aan het oppervlak groeien enorme hoeveelheden algen (fytoplankton), vooral in gebieden waar voedselrijk diep water omhoog komt, een proces dat opwelling heet. Wanneer die algen afsterven, zinken ze naar beneden en worden ze afgebroken door bacterien, een proces dat, net als ademhaling, zuurstof verbruikt.
Ten tweede: op die tussendiepte is de watercirculatie traag, waardoor er weinig vers, zuurstofrijk water wordt aangevoerd om het verbruik te compenseren. De combinatie van veel verbruik en weinig aanvoer zorgt voor een laag waar het zuurstofgehalte kan wegzakken tot bijna nul. Wetenschappers spreken van hypoxie (zuurstofarm) en in de meest extreme gevallen van anoxie (vrijwel zuurstofloos).
In de kern van de meest extreme zuurstofminimumzones gebeurt iets bijzonders: bacterien schakelen over op andere manieren om energie te winnen, waarbij ze in plaats van zuurstof gebruikmaken van stikstofverbindingen. Dat heet denitrificatie en, bij een verwant proces, anammox. Deze processen onttrekken bruikbare stikstof aan het zeewater (stikstof die algen nodig hebben om te groeien) en kunnen als bijproduct lachgas (N2O) vormen, een broeikasgas dat wel driehonderd keer sterker is dan CO2.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoek naar zuurstofminimumzones draait niet om het "bouwen" van iets nieuws, zoals bij veel technologieonderwerpen, maar om het begrijpen en voorspellen van een natuurlijk systeem dat verandert. Wetenschappers willen vooral drie dingen bereiken.
Ten eerste: nauwkeurig meten hoe snel en waar deze zones groeien. Zonder goede metingen is het onmogelijk om onderscheid te maken tussen natuurlijke schommelingen, bijvoorbeeld door klimaatcycli als El Nino, en een structurele trend door opwarming.
Ten tweede: de gevolgen voorspellen voor visserij en voedselvoorziening. Miljoenen mensen zijn afhankelijk van visgronden die grenzen aan zuurstofminimumzones, zoals de Stille Oceaan voor de kust van Peru. Als die zones uitdijen, verkleint de leefbare ruimte voor vis, met mogelijk grote economische gevolgen.
Ten derde: begrijpen hoe deze zones het klimaat zelf beinvloeden, via de uitstoot van lachgas en veranderingen in de stikstofkringloop van de oceaan. Dat is relevant voor klimaatmodellen, die deze processen nu nog maar ten dele goed weten na te bootsen.
Voorbeelden uit de praktijk
De bekendste zuurstofminimumzones liggen in de tropische Grote Oceaan voor de kust van Peru, Chili en Mexico, in de Arabische Zee, in de Golf van Bengalen en in de tropische Atlantische Oceaan voor de kust van Namibie en Angola. Een aantal onderzoeksprojecten illustreert hoe dit veld zich heeft ontwikkeld.
In 2008 publiceerde de Duitse oceanograaf Lothar Stramma met collega's een veelgeciteerd artikel in het tijdschrift Science, waarin zij op basis van decennia aan metingen lieten zien dat verschillende tropische zuurstofminimumzones sinds de jaren vijftig merkbaar waren uitgedijd. Dit werk gaf een belangrijke impuls aan verder onderzoek.
De Arabische Zee herbergt een van de grootste en meest intense zuurstofminimumzones ter wereld. Onderzoek met onderwatergliders, autonome onderwaterrobots die maandenlang metingen kunnen verzamelen, liet rond 2018 zien dat de kern van deze zone al vrijwel volledig zuurstofloos is geworden, iets wat eerder vooral op basis van schaarsere metingen werd vermoed.
In 2016 richtte de Intergouvernementele Oceanografische Commissie van UNESCO (IOC-UNESCO) het Global Ocean Oxygen Network (GO2NE) op, een internationaal samenwerkingsverband van wetenschappers dat sindsdien periodiek overzichtsrapporten publiceert over de staat van de zuurstof in de wereldzeeen.
Ook dichter bij huis speelt dit onderwerp: onderzoek naar de Golf van Bengalen, uitgevoerd door onder meer Amerikaanse en Indiase oceanografen in de jaren 2010, bracht aan het licht dat deze zee weliswaar een zeer uitgestrekte zuurstofminimumzone heeft, maar dat de stikstofkringloop zich daar anders gedraagt dan in de Arabische Zee, wat aantoont dat niet elke zuurstofminimumzone hetzelfde functioneert.
Hoe ver is de techniek?
Met "techniek" gaat het hier vooral om de meettechnologie waarmee wetenschappers deze zones in kaart brengen, en om de modellen waarmee ze toekomstige veranderingen proberen te voorspellen. Beide ontwikkelen zich snel, maar met duidelijke beperkingen.
De belangrijkste doorbraak van de afgelopen twintig jaar is het internationale Argo-programma: een vloot van duizenden drijvende meetboeien die autonoom door de oceaan zakken en stijgen en daarbij temperatuur, zoutgehalte en, bij een deel van de vloot (de zogeheten BGC-Argo floats, met sensoren voor onder meer zuurstof), ook chemische gegevens verzamelen. Voor 2000 waren metingen van zuurstofminimumzones veel schaarser en ongelijkmatiger verspreid, wat het lastig maakte om trends met zekerheid vast te stellen.
Volgens rapporten van het IPCC, het klimaatpanel van de Verenigde Naties, is de hoeveelheid zuurstof in de wereldoceaan sinds het midden van de twintigste eeuw wereldwijd gemiddeld met naar schatting enkele procenten afgenomen, met veel grotere lokale afnames binnen bestaande zuurstofminimumzones. Deze cijfers kennen nog behoorlijke onzekerheidsmarges, omdat metingen uit het verleden ongelijk verdeeld zijn over de wereld en natuurlijke schommelingen soms moeilijk te scheiden zijn van een langetermijntrend.
Een tweede obstakel is dat klimaatmodellen, de rekenmodellen waarmee wetenschappers de oceaan van de toekomst simuleren, de exacte omvang en locatie van zuurstofminimumzones nog niet consistent goed weten te reproduceren. Kleine verschillen in hoe een model menging en biologische productiviteit berekent, kunnen tot grote verschillen in de voorspelde omvang van deze zones leiden. Daardoor bestaat er wel brede consensus dat de zones gemiddeld groeien, maar geen scherpe consensus over precies hoeveel en hoe snel dat de komende decennia zal gaan.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar zuurstofminimumzones is sterk internationaal en verspreid over verschillende typen instellingen. In Duitsland is het GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel een van de toonaangevende instituten, mede dankzij het baanbrekende werk van onderzoekers als Lothar Stramma. In de Verenigde Staten dragen onder meer Scripps Institution of Oceanography (verbonden aan de Universiteit van Californië in San Diego, en tevens beheerder van het Argo-programma) en de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) belangrijke kennis bij.
Op internationaal niveau coordineert het Global Ocean Oxygen Network, ondergebracht bij de Intergouvernementele Oceanografische Commissie van UNESCO, de samenwerking tussen wetenschappers uit tientallen landen en publiceert dit netwerk periodiek overzichtsstudies over de stand van zaken.
Daarnaast spelen nationale oceanografische instituten in landen die direct grenzen aan grote zuurstofminimumzones een sleutelrol, zoals het National Institute of Oceanography in India (voor onderzoek naar de Arabische Zee en de Golf van Bengalen) en het Instituto del Mar del Peru, dat de gevolgen voor de belangrijke Peruaanse visserij volgt. Ook het IPCC zelf draagt bij, niet door zelf te meten, maar door de bevindingen van al deze groepen samen te vatten in klimaatrapporten die als referentie dienen voor beleidsmakers wereldwijd.