Unter allen Meeren der Erde hat das Schwarze Meer ein ganz besonderes Profil. Es ist von Land umgeben und könnte sogar mit einem großen See verwechselt werden, wäre da nicht die direkte Verbindung mit dem Mittelmeer durch die Bosporusstraße, eine kleine, einen Kilometer breite Wasserstraße. Ein von Land umgebenes Meer, das seine besonderen Eigenschaften ausmacht. “Das Schwarze Meer wird hauptsächlich von Flüssen mit Wasser versorgt. Vor allem die Donau”, erklärt Arthur Capet, Erstautor der Veröffentlichung über den Sauerstoffrückgang im Schwarzen Meer und Forscher an der MAST unter der Leitung von Marilaure Grégoire, Forschungsdirektorin des FNRS. “Dieses Süßwasser, das eine geringere Dichte als Meerwasser hat, besiedelt die oberen Schichten der Wassersäule, ohne sich mit den unteren Schichten zu vermischen”. Denn die unteren Schichten sind viel salziger. Der Ursprung liegt im Südwesten des Schwarzen Meeres, im Bosporus. “Hier gibt es einen Austausch mit dem Mittelmeer in zwei Schichten. Das Süßwasser an der Oberfläche fließt ab, und weiter unten strömt das Salzwasser ein und sinkt direkt zu den dichteren Schichten hin ab.”

Die mit dem Salzgehalt verbundene permanente Schichtung, die Halokline, entzieht dem Tiefenwasser den Sauerstoff. Die marine Nahrungskette entwickelt sich daher oberhalb dieser Grenze, unterhalb derer das Wasser keinen Sauerstoff mehr enthält. “Dennoch liefert der Zufluss des Mittelmeers eine geringe Menge an Sauerstoff in die Zwischenschichten. Er enthält nicht nur Sauerstoff, sondern reißt beim Absinken auch Oberflächenwasser mit. Dieser Sauerstoff wird jedoch sehr schnell verbraucht, wenn die organische Substanz zerfällt. Die organische Substanz (Plankton, Algen usw.), die an der Oberfläche durch Photosynthese erzeugt wird, zerfällt oder wird von anderen Arten in der trophischen Kette verzehrt und ausgestoßen. In beiden Fällen sinken sie schließlich ab. Da für die Zersetzung Sauerstoff benötigt wird, sind die wenigen Reserven, die in den unteren Schichten vorhanden sind, erschöpft.

“Der mit Sauerstoff angereicherte und daher bewohnbare Bereich des Schwarzen Meeres ist ein sehr begrenzter Raum. Dies gilt sowohl horizontal, da das Becken fast vollständig geschlossen ist, als auch vertikal, aufgrund der permanenten Schichtung. Im Vergleich zu anderen Meeren ist dieses begrenzte Volumen größeren äußeren Einflüssen ausgesetzt. Es ist daher empfindlicher und kann sich schnell weiterentwickeln”, erklärt Arthur Capet. Genau diese Art von Entwicklung konnte der Forscher beobachten. Bei der Zusammenstellung der in den letzten 60 Jahren gesammelten Daten stellte er fest, dass die sauerstoffreiche oberste Schicht des Schwarzen Meeres von 140 Metern auf 90 Meter Tiefe geschrumpft ist. Beeindruckende Zahlen, die einer Abnahme des bewohnbaren Volumens um mehr als 40 % entsprechen.

Dauerhafte Schichtung im Vergleich zur saisonalen Schichtung

Der Salzgehalt begünstigt die dauerhafte vertikale Schichtung im Schwarzen Meer. Zu dieser permanenten Schichtung kommt eine saisonale Schichtung durch die Wassertemperatur hinzu. “Im Winter”, so Arthur Capet weiter, “machen niedrigere Temperaturen und stärkere Winde das Oberflächenwasser kälter und sauerstoffreicher. Kaltes Wasser ist jedoch dichter als warmes Wasser. Daher sinkt das kalte Wasser ab und nimmt den darin enthaltenen Sauerstoff mit sich. So entsteht ein Ventilationseffekt. Durch dieses periodische Phänomen werden die tieferen Schichten mit Sauerstoff versorgt. Im Falle des Mittelmeers sinkt das im Winter abgekühlte Oberflächenwasser zu Boden und versorgt das gesamte Becken mit Sauerstoff. Im Schwarzen Meer hingegen wird dieses Wasser in der permanenten Halokline zurückgehalten, obwohl es kälter ist als das Tiefenwasser. In Bezug auf die Dichte siegt das Salz schließlich über die Temperatur. Die kalten Gewässer beenden ihre Reise hier und behalten ihren Sauerstoff. Im Sommer erwärmt sich das Oberflächenwasser und sinkt nicht mehr ab, wodurch eine neue Schichtung der Wassersäule, die Thermokline, entsteht.

Mehrere Diagnosen, um das Vorhandensein von Sauerstoff zu überprüfen

Um dieses Schrumpfen der sauerstoffreichen oberen Schicht zu diagnostizieren, musste Arthur Capet zwei Quellen von Schwankungen berücksichtigen, die unterschieden werden mussten, um voreingenommene Schlussfolgerungen zu vermeiden. Zum einen die zeitliche Variabilität, die einen Überblick über die zeitliche Entwicklung des Sauerstoffgehalts im Meer gibt, und zum anderen die räumliche Variabilität. “Die Sauerstoffdurchdringung ist nicht in allen Gebieten gleich. Vor allem in Küstennähe, wo die Wechselwirkung zwischen Strömung und Meeresboden zu einer stärkeren vertikalen Durchmischung führt, oder in der Nähe der Bosporusstraße. Um ein klares Bild dieser zeitlichen Entwicklung zu erhalten, musste jeder Ort, an dem die Messungen durchgeführt wurden, berücksichtigt werden. Und dann gab es noch eine weitere Schwierigkeit: Die vorherrschenden Strömungen im Schwarzen Meer erzeugen Kräfte, die die vertikale Struktur in der Mitte des Beckens anheben und an der Peripherie absenken. Das bedeutet, dass das Wasser bei gleicher Tiefe in Küstennähe weniger dicht ist als in der Mitte des Beckens. Mit anderen Worten: Die Halokline bildet keine horizontale Grenze, sondern ähnelt einer Kuppel. Um diese zusätzliche Schwierigkeit zu überwinden, quantifizierte der Forscher die Sauerstoffkonzentration, indem er zum einen die Tiefe in Metern und zum anderen die Dichte angab. Auf diese Weise war es möglich, einen einheitlichen Durchschnittswert für das gesamte Becken zu ermitteln und ein genaues vertikales Gesamtprofil der Wassersäule zu erstellen.

Die Ursachen für diesen erstaunlichen Rückgang

Sehr viele historische Datenbanken enthielten Informationen über die Sauerstoffverteilung im Schwarzen Meer, die während mehrerer Kampagnen gesammelt wurden. Durch die Zusammenstellung dieser Daten und der von den ARGO-Bojen gesammelten Daten, die frei driften und Satelliteninformationen über die Entwicklung von Temperatur, Salzgehalt und Sauerstoff senden, konnten mehr als 4000 Profile aus den Jahren 1955 bis 2015 verglichen werden. Durch die Bildung eines Durchschnittswerts für alle diese Diagnosen und die Bestandsaufnahme der Sauerstoffmenge im Schwarzen Meer konnte eine sehr genaue und eindeutige Beobachtung gemacht werden. Die Sauerstoffdurchdringung nahm in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts ab und schrumpfte von 140 Metern im Jahr 1955 auf nur noch 90 Meter im Jahr 2015.

Für diesen allmählichen Rückgang gibt es zwei aufeinander folgende Ursachen. Zunächst ein größerer Nährstoffreichtum, dann die globale Erwärmung. Bis in die 1990er Jahre nahm die Intensität der Belüftung im Zusammenhang mit der Dynamik der kalten Gewässer nicht ab. In bestimmten Jahren, in strengeren Wintern, nahm sie sogar zu. Es hätte also eine größere Menge an gelöstem Sauerstoff vorhanden sein müssen. Seine Konzentration nahm jedoch in der gesamten Wassersäule weiter ab. Man musste die Ursache woanders suchen als in der physikalischen Reaktion, die mit dem Klima zusammenhängt. “In Wirklichkeit”, so kontextualisiert Arthur Capet, “lässt sich dieser Mangel durch die starke Eutrophierung des Beckens in dieser Zeit erklären. Sie entspricht einem großen wirtschaftlichen Aufschwung in der UdSSR, als riesige landwirtschaftliche Betriebe und eine extensive Viehzucht entstanden. Außerdem wurde dieser Boom nicht von Umweltüberlegungen begleitet. Düngemittel und organische Abfälle aus der Viehzucht gelangten in die Flüsse und landeten im Schwarzen Meer. Sie hatten einen sehr hohen Nitrat- und Phosphatgehalt, der die Primärproduktion förderte. “So wie die Düngemittel das Wachstum von Pflanzen fördern, beeinflussen sie auch die Produktion von Algen. Diese Algen verbrauchen Sauerstoff, wenn sie verrotten oder verbraucht werden. Eine größere Biomasse führt also zu einem höheren Sauerstoffverbrauch. Im Jahr 1990 ging dieser Nährstoffzufluss deutlich zurück. Auch hier scheint es einen geopolitischen und wirtschaftlichen Zusammenhang zu geben, denn er fällt mit dem Zerfall des Sowjetimperiums und den wirtschaftlichen Schwierigkeiten in der Region zusammen. Es ist auch der Zeitpunkt, an dem die ersten groß angelegten Umweltmaßnahmen durchgeführt wurden.

Und dennoch stieg der Sauerstoffgehalt nicht wieder an. Im Gegenteil, er blieb einige Jahre lang gleich, als die Winter besonders kalt waren, bevor er wieder sank. Dieses Mal war die globale Erwärmung der Schuldige, da sie die Belüftung beeinflusste. Wenn die Winter wärmer sind, entsteht weniger dichtes Wasser, was den Sauerstoffgehalt verringert, wenn dieses Wasser in die Halokline absinkt. “Das Phänomen könnte sich sogar noch verschlimmern. Früher fand diese Bildung von kaltem Wasser jedes Jahr statt. Die in den letzten zehn Jahren gesammelten Daten zeigen jedoch, dass sich das kalte Wasser immer seltener bildet. Wir sind gerade dabei, unsere Ergebnisse zu analysieren, aber es sieht so aus, als ob diese einst jährliche Belüftung jetzt nur noch alle zwei oder drei Jahre stattfindet. Wir können die Folgen dieses Phänomens noch nicht abschätzen, aber auf jeden Fall sind wir Zeuge eines sich verändernden Systems.”

Neben einer weniger umfangreichen und gelegentlichen Durchmischung verbirgt sich hinter dieser Erwärmung ein weiterer Effekt, der zur Desoxygenierung führt. Eine der chemischen Eigenschaften von kaltem Wasser bedeutet, dass es weniger schnell gesättigt wird als warmes Wasser. Je kälter das Wasser ist, desto mehr gelöstes Gas kann es enthalten, zu dem natürlich auch Sauerstoff gehört. Mit zunehmender Erwärmung ist das Oberflächenwasser immer weniger in der Lage, Sauerstoff anzureichern. In der Folge siedelt sich im Schwarzen Meer nicht nur kein Sauerstoff mehr in der Tiefe an, sondern seine Konzentration nimmt in der gesamten Wassersäule ab. Die durch den Anstieg der Wassertemperatur verursachte Desoxygenierung ist ein globales Problem, das alle Ozeane betrifft. Heute wird das Problem von der wissenschaftlichen Gemeinschaft sehr ernst genommen.

Zu quantifizierende Auswirkungen

Die Studie zielt vor allem darauf ab, die mit der Wassersäule verbundenen physikalischen Prozesse zu quantifizieren, indem die Daten gesammelt und analysiert werden. Die Dynamik scheint inzwischen sowohl räumlich als auch zeitlich gut verstanden zu sein. Die große Unbekannte bleibt der Einfluss, den diese Veränderungen auf das Ökosystem haben werden. Die Modelle, mit denen die verschiedenen Szenarien im Schwarzen Meer untersucht werden können, müssen nun mit diesen neuen Daten über die Halokline, die Thermokline und die Oxycline integriert werden, damit ihre tatsächlichen Auswirkungen genauer vorhergesagt werden können. Es können jedoch bereits mehrere Wege erforscht werden. “Das Schwarze Meer steht eindeutig vor einer erheblichen Kompression seiner bewohnbaren Fläche. Das gesamte Ökosystem wird in dieser Schicht gebildet, vom Phytoplankton bis zu den Raubtieren, die sich in den tieferen Gewässern entwickeln. Die gesamte trophische Kette ist in der Wassersäule nach dem Vorhandensein von Licht oder Nährstoffen organisiert. Die Wechselwirkungen zwischen diesen trophischen Gruppen, die bisher in einer Tiefe von 140 Metern organisiert waren, müssen nun in einer Tiefe von 90 Metern ein neues Gleichgewicht finden. Dies wird ökologische und wirtschaftliche Auswirkungen haben. Die Fischerei, einer der wichtigsten Wirtschaftszweige in der Region, wird sich wahrscheinlich an diese Umstrukturierung anpassen müssen”, so die FAO. 2013 betrug die Fangmenge 376 000 Tonnen. Das sind knapp zwei Mal weniger als im gesamten Mittelmeerraum.

Ein giftiger Außenseiter

Ein letzter Prozess verdient es, beobachtet zu werden. Wie bereits erwähnt, verbraucht die Biomasse beim Zerfall Sauerstoff. Wenn kein Sauerstoff mehr vorhanden ist, zerfällt diese Biomasse weiter, was zum Verbrauch von Sulfaten durch die Bakterien und zur Bildung von Schwefelwasserstoff (H2S), einem hochgiftigen Gas, führt. Die permanente Schichtung des Schwarzen Meeres wirkt wie ein Deckel über den tiefen Gewässern, in denen sich dieser Schwefelwasserstoff angesammelt hat und nun nie dagewesene Konzentrationen erreicht. Derzeit ist nicht bewiesen, dass die Abnahme der Sauerstoffeindringtiefe direkt mit einer Abnahme der Schwefelwasserstoffeindringtiefe einhergeht. “Die Tiefe, in der der H2S auftritt, entspricht nicht genau der Tiefe, in der der Sauerstoff verschwindet. Es gibt eine ganze Reihe von Zwischenprozessen in einer mittleren Zone, die suboxisch und frei von Schwefelwasserstoff ist. Wir haben uns auf den Sauerstoff konzentriert und in unserer Studie einen Anstieg an der oberen Grenze dieser Zone festgestellt, aber nicht an der unteren. Wir können davon ausgehen, dass die Schichtung des Schwarzen Meeres insgesamt stabil bleiben wird. Es ist jedoch möglich, dass bei einem Anstieg des H2S instabile klimatische oder geologische Bedingungen dazu führen, dass der Schwefelwasserstoff die sauerstoffhaltige Schicht durchbricht. Dies könnte erhebliche Auswirkungen auf das Leben im Wasser haben. Um die Situation zu bestimmen und die Dynamik des H2S zu lösen, müssen wir nun diese Prozesse modellieren und seine Konzentration quantifizieren und inventarisieren.”