Kaikista maapallon meristä Mustallamerellä on hyvin erityinen profiili. Sitä ympäröi maa, ja sitä voisi jopa luulla suureksi järveksi, ellei se olisi suoraan yhteydessä Välimereen Bosporinsalmen, pienen yhden kilometrin levyisen vesiväylän, kautta. Meri, jota ympäröi maa, joka määrittää sen erityispiirteet. “Mustanmeren pääasiallinen vedensaanti tulee jokien kautta. Erityisesti Tonava”, selittää Arthur Capet, Mustanmeren hapen vähenemistä käsittelevän julkaisun ensimmäinen kirjoittaja ja FNRS:n tutkimusjohtajan Marilaure Grégoiren johtaman MASTin tutkija. “Tämä makea vesi, joka on vähemmän tiheää kuin merivesi, asettuu vesipatsaan ylempiin kerroksiin sekoittumatta alempiin kerroksiin.” Koska alemmat kerrokset ovat paljon suolaisempia. Alkuperä löytyy Mustanmeren lounaispuolelta, Bosporista. “Täällä tapahtuu vaihto Välimeren kanssa kahdessa kerroksessa. Pinnalla oleva makea vesi virtaa ulos, ja alempana suolainen vesi virtaa sisään ja vajoaa suoraan kohti tiheämpiä kerroksia.”

Suolapitoisuuteen liittyvä pysyvä kerrostuneisuus, halokliini, riistää syvän veden hapen. Näin ollen meren ravintoketju kehittyy tämän rajan yläpuolella, jonka alapuolella vedet ovat hapettomia. “Välimeren tulovirtaukset syöttävät kuitenkin pienen määrän happea välikerroksiin. Sen lisäksi, että se sisältää happea, se laskeutuessaan vie mukanaan pintavettä. Tämä happi kuluu kuitenkin hyvin nopeasti orgaanisen aineksen hajotessa.” Tapahtuu niin, että pinnalla fotosynteesillä tuotettu orgaaninen aines (plankton, levät jne.) hajoaa tai kulutetaan ja karkotetaan trofisen ketjun muiden lajien toimesta. Molemmissa tapauksissa tämä lopulta uppoaa. Koska hajoaminen vaatii happea, alemmissa kerroksissa olevat vähäiset varannot ehtyvät.

“Mustanmeren hapekäs ja siten asumiskelpoinen alue on hyvin rajallinen. Näin on horisontaalisesti, koska allas on lähes täysin suljettu, ja myös vertikaalisesti tämän jatkuvan kerrostuneisuuden vuoksi. Muihin meriin verrattuna tämä rajoitettu tila on alttiina suurille ulkoisille vaikutuksille. Siksi se on herkempi ja pystyy kehittymään nopeasti”, Arthur Capet selittää. Juuri tällaista kehitystä tutkija pystyi havainnoimaan. Kokoamalla yhteen viimeisten 60 vuoden aikana kerättyjä tietoja hän havaitsi, että Mustanmeren happirikas pintakerros oli kutistunut 140 metrin syvyydestä 90 metrin syvyyteen. Vaikuttavia lukuja, jotka vastaavat asumiskelpoisen tilavuuden vähenemistä yli 40 prosentilla.

Pysyvä kerrostuneisuus verrattuna kausittaiseen kerrostuneisuuteen

Suolapitoisuus suosii Mustanmeren pysyvää vertikaalista kerrostuneisuutta. Tämän pysyvän kerrostuneisuuden lisäksi on veden lämpötilasta johtuva kausittainen kerrostuneisuus. “Talvella”, Arthur Capet jatkaa, “alhaisemmat lämpötilat ja voimakkaammat tuulet tekevät pintavedestä kylmempää ja happirikkaampaa. Kylmä vesi on kuitenkin tiheämpää kuin lämmin vesi. Siksi tämä kylmä vesi vajoaa ja vie sisältämänsä hapen mukanaan. Näin syntyy tuuletusvaikutus.” Juuri tämä jaksottainen ilmiö syöttää syvempiin kerroksiin happea. Välimeren tapauksessa talvella jäähtynyt pintavesi vajoaa pohjaan, jolloin koko allas saa happea. Mustallamerellä nämä vedet kuitenkin tukkeutuvat pysyvään halokliiniin, vaikka ne ovat kylmempiä kuin syvänteet. Tiheyden suhteen suola voittaa lopulta lämpötilan. Kylmät vedet päättävät matkansa tänne ja säilyttävät hapensa. Kesällä pintavedet lämpenevät eivätkä enää vajoa, jolloin vesipatsaaseen syntyy uusi kerrostuneisuus, termokliini.

Monenlaisia diagnostisia menetelmiä hapen läsnäolon tarkistamiseksi

Tämän happirikkaan pintakerroksen kutistumisen diagnosoimiseksi Arthur Capet’n täytyi ottaa huomioon kaksi variaatiolähdettä, jotka oli erotettava toisistaan, jotta vältettäisiin vääristyneet päätelmät. Yhtäältä ajallinen vaihtelu, joka antaa kuvan hapen esiintymisen ajallisesta kehityksestä meressä, ja toisaalta alueellinen vaihtelu. “Hapen tunkeutuminen ei ole tasaista kaikilla alueilla. Erityisesti lähellä rannikkoa, jossa virtauksen ja merenpohjan välinen vuorovaikutus aiheuttaa lisääntynyttä vertikaalista sekoittumista, tai lähellä Bosporinsalmea. Oli välttämätöntä ottaa huomioon jokainen paikka, jossa mittauksia tehtiin, jotta saatiin selkeä kuva tästä ajallisesta kehityksestä. Ja sitten oli vielä yksi vaikeus: Mustanmeren hallitsevat virtaukset aiheuttavat voimia, jotka nostavat vertikaalista rakennetta altaan keskiosassa ja laskevat sitä reuna-alueilla. Tämä tarkoittaa, että samalla syvyydellä vesi on vähemmän tiheää lähellä rannikkoa kuin altaan keskellä.” Toisin sanoen halokliini muistuttaa kupolia sen sijaan, että se muodostaisi horisontaalisen rajan. Tämän lisävaikeuden voittamiseksi tutkija kvantifioi happipitoisuuden ilmaisemalla syvyyden toisaalta metreinä ja toisaalta tiheytenä. Näin voitiin löytää johdonmukainen keskiarvo koko altaalle ja laatia vesipatsaan tarkka pystysuuntainen kokonaisprofiili.

Tämän hämmästyttävän laskun taustatekijät

Useat historialliset tietokannat sisälsivät useiden kampanjoiden aikana kerättyjä tietoja hapen jakautumisesta Mustallamerellä. Yhdistämällä nämä luvut ja vapaasti ajelehtivien ARGO-poijujen keräämät luvut, jotka lähettävät satelliittitietoja lämpötilan, suolapitoisuuden ja hapen kehityksestä, voitiin vertailla yli 4000 profiilia, jotka on otettu vuosina 1955-2015. Kaikkien näiden diagnoosien keskiarvon ja Mustanmeren happimäärän inventoinnin avulla saatiin erittäin tarkka ja yksiselitteinen lopputulos. Hapen tunkeutuminen väheni koko 1900-luvun jälkipuoliskon ajan ja kutistui 140 metristä vuonna 1955 vain 90 metriin vuonna 2015.

Tämän asteittaisen laskun taustalla oli kaksi peräkkäistä syytä. Ensin suurempi ravinteiden runsaus, sitten ilmaston lämpeneminen. Kylmien vesien dynamiikkaan liittyvä tuuletuksen voimakkuus ei vähentynyt 1990-luvulle asti. Se jopa lisääntyi joinakin vuosina, ankarampina talvina. Siksi liuenneen hapen määrän olisi pitänyt olla suurempi. Sen pitoisuus kuitenkin jatkoi laskuaan koko vesipatsaassa. Syytä oli etsittävä muualta kuin ilmastoon liittyvästä fysikaalisesta reaktiosta. “Todellisuudessa”, toteaa Arthur Capet, “tämä puute voidaan selittää altaan laajamittaisella rehevöitymisellä kyseisenä ajanjaksona. Se vastaa Neuvostoliiton suurta taloudellista nousukautta, jolloin kehitettiin valtavia maatiloja ja laajamittaista karjankasvatusta. Lisäksi tähän nousukauteen ei liittynyt ympäristönäkökohtia.” Lannoitteet ja karjankasvatukseen liittyvät orgaaniset jätteet päätyivät jokiin ja päätyivät Mustaanmereen. Niiden nitraatti- ja fosfaattipitoisuus oli erittäin korkea, mikä edisti alkutuotantoa. “Aivan kuten lannoitteet kannustavat kasveja kasvamaan, ne vaikuttavat myös levätuotantoon. Nämä levät kuluttavat happea, kun ne hajoavat tai niitä kulutetaan. Suurempi biomassa johtaa siis suurempaan hapenkulutukseen.” Vuonna 1990 tämä ravinteiden tulo väheni merkittävästi. Jälleen kerran näyttää siltä, että se liittyi geopoliittiseen ja taloudelliseen kontekstiin, sillä se osui samaan aikaan Neuvostoliiton imperiumin kaatumisen ja alueella esiintyneiden taloudellisten vaikeuksien kanssa. Se on myös hetki, jolloin sovellettiin ensimmäisiä laajamittaisia ympäristötoimenpiteitä.

Eikä happipitoisuus kuitenkaan enää noussut. Päinvastoin, se pysyi samana useita vuosia, jolloin talvet olivat erityisen kylmiä, ennen kuin se taas laski. Tällä kertaa syyllinen oli ilmaston lämpeneminen, joka vaikutti ilmanvaihtoon. Jos talvet ovat lämpimämpiä, syntyy vähemmän tiheää vettä, mikä vähentää happipitoisuutta, kun nämä vedet vajoavat halokliiniin. “Ilmiö voi hyvinkin pahentua. Ennen tätä kylmän veden muodostumista tapahtui joka vuosi. Viimeisten kymmenen vuoden aikana kerätyt luvut osoittavat kuitenkin, että kylmää vettä muodostuu yhä harvemmin. Analysoimme parhaillaan tuloksiamme, mutta näyttää siltä, että tämä kerran vuosittainen tuuletus tapahtuu nyt vain joka toinen tai kolmas vuosi. Emme vielä pysty määrittelemään tämän ilmiön seurauksia, mutta joka tapauksessa olemme todistamassa muuttuvaa järjestelmää.”

Sen lisäksi, että sekoittuminen on vähäisempää ja satunnaista, tämä lämpeneminen peittää alleen toisenkin hapettomuuteen johtavan vaikutuksen. Yksi kylmän veden kemiallisista ominaisuuksista tarkoittaa, että se kyllästyy vähemmän nopeasti kuin lämmin vesi. Mitä kylmempi vesi on, sitä enemmän se voi sisältää liuennutta kaasua, johon luonnollisesti sisältyy happea. Lämmetessään pintavesi ei enää pysty keräämään happea. Tämän seurauksena happea ei enää kulkeudu Mustaanmereen syvyyksissä, ja lisäksi sen pitoisuus vähenee koko vesipatsaassa. Veden lämpötilan nousun aiheuttama hapettomuus on maailmanlaajuinen ongelma, joka koskee kaikkia valtameriä. Nykyään tiedeyhteisö suhtautuu ongelmaan hyvin vakavasti.

Kvantifioitavat vaikutukset

Tutkimuksen tavoitteena on ennen kaikkea kvantifioida vesipatsaaseen liittyvät fysikaaliset prosessit keräämällä ja analysoimalla tietoja. Dynamiikka näyttäisi nyt olevan kunnolla ymmärretty sekä tilallisesti että ajallisesti. Suuri tuntematon asia on edelleen se, mikä vaikutus näillä vaihteluilla on ekosysteemiin. Mallit, joiden avulla voidaan tutkia eri skenaarioita Mustallamerellä, on nyt yhdistettävä näihin uusiin halokliini-, termokliini- ja oksikliinitietoihin, jotta niiden todelliset vaikutukset voidaan ennustaa tarkemmin. Useita mahdollisuuksia voidaan kuitenkin jo nyt tutkia. “Mustanmeren asuinalue on selvästi supistumassa merkittävästi. Koko ekosysteemi muodostuu tässä kerroksessa, kasviplanktonista petoeläimiin, jotka kehittyvät syvemmissä vesissä. Koko trofinen ketju järjestäytyy vesipatsaassa valon tai ravinteiden läsnäolon mukaan. Aiemmin 140 metrin syvyydessä järjestetty trofisten ryhmien välinen vuorovaikutus on nyt löydettävä uusi tasapaino 90 metrin syvyydessä. Tällä on ekologisia ja taloudellisia vaikutuksia. Kalastus, joka on yksi alueen tärkeimmistä elinkeinoista, joutuu todennäköisesti sopeutumaan tähän uudelleenjärjestelyyn.” FAO:n mukaan saalis oli 376 000 tonnia vuonna 2013. Vajaa kaksi kertaa vähemmän kuin koko Välimeren alueella.”

Myrkyllinen ulkopuolinen

Yksi viimeinen prosessi ansaitsee seurannan. Kuten aiemmin mainittiin, biomassa kuluttaa happea hajotessaan. Kun happea ei enää ole, tämä biomassa jatkaa hajoamistaan, jolloin bakteerit kuluttavat sulfaatteja ja tuottavat rikkivetyä (H2S), erittäin myrkyllistä kaasua. Mustanmeren pysyvä kerrostuneisuus peittää syvän veden, johon rikkivety on kerääntynyt ja jonka pitoisuudet ovat nyt ennennäkemättömiä. Mikään ei tällä hetkellä osoita, että hapen tunkeutumissyvyyden madaltuminen vastaa suoraan rikkivedyn esiintymissyvyyden madaltumista. “Syvyys, jossa H2S ilmestyy, ei täsmälleen vastaa syvyyttä, jossa happi katoaa. On olemassa kokonainen sarja väliprosesseja keskivyöhykkeellä, joka on suboksinen ja jossa ei esiinny rikkivetyä. Keskityimme happiin, ja tutkimuksemme paljasti nousun tämän vyöhykkeen ylärajalla, mutta ei alapuolella. Voimme olettaa, että Mustanmeren kerrostuneisuus pysyy kokonaisuudessaan vakaana. On kuitenkin mahdollista, että jos H2S nousisi ylöspäin, epävakaa ilmasto tai geologiset olosuhteet saisivat rikkivedyn lävistämään hapekkaan kerroksen. Tällä voisi olla merkittäviä vaikutuksia vesieliöstöön. Tilanteen selvittämiseksi ja H2S:n dynamiikan ratkaisemiseksi meidän on nyt mallinnettava näitä prosesseja sekä kvantifioitava ja inventoitava sen pitoisuus.”