Tra tutti i mari del pianeta, il Mar Nero ha un profilo molto particolare. Circondato da terra, potrebbe addirittura essere scambiato per un grande lago se non fosse per il fatto che è direttamente collegato al Mar Mediterraneo attraverso lo stretto del Bosforo, una piccola via d’acqua larga un chilometro. Un mare circondato da terra che determina le sue caratteristiche speciali. “Il principale apporto d’acqua al Mar Nero proviene dai fiumi. Soprattutto il Danubio”, spiega Arthur Capet, primo autore della pubblicazione sul declino dell’ossigeno nel Mar Nero e ricercatore al MAST, guidato da Marilaure Grégoire, direttore della ricerca FNRS. “Quest’acqua dolce, che è meno densa dell’acqua di mare, colonizza gli strati superiori della colonna d’acqua senza mescolarsi con gli strati inferiori”. Perché gli strati inferiori sono molto più salini. L’origine si trova a sud-ovest del Mar Nero, nel Bosforo. “Qui, c’è uno scambio con il Mar Mediterraneo in due strati. L’acqua dolce in superficie defluisce, e più in basso, l’acqua salata entra e affonda direttamente verso i livelli più densi.”

La stratificazione permanente legata alla salinità, l’aloclino, priva le acque profonde di ossigeno. La catena alimentare marina si sviluppa quindi al di sopra di questo limite al di sotto del quale le acque sono prive di ossigeno. “Tuttavia, l’afflusso mediterraneo fornisce una piccola quantità di ossigeno agli strati intermedi. Non solo contiene ossigeno, ma, scendendo, trascina con sé l’acqua di superficie. Tuttavia, questo ossigeno si consuma molto rapidamente con la decomposizione della materia organica”. Quello che succede è che la materia organica (plancton, alghe, ecc.), prodotta in superficie dalla fotosintesi, si rompe o viene consumata ed espulsa da altre specie della catena trofica. In entrambi i casi, questa alla fine affonda. Poiché richiede ossigeno per rompersi, le poche riserve che esistono negli strati inferiori si esauriscono.

“La zona ossigenata e quindi abitabile del Mar Nero è uno spazio molto ristretto. Questo è il caso in orizzontale, perché il bacino è quasi completamente chiuso, e anche in verticale, a causa di questa stratificazione permanente. Rispetto ad altri mari, questo volume ristretto è esposto a grandi influenze esterne. È quindi più sensibile e capace di evolvere rapidamente”, spiega Arthur Capet. È questo tipo di evoluzione che il ricercatore ha potuto osservare. Compilando i dati raccolti negli ultimi 60 anni, ha notato che lo strato superiore del Mar Nero, ricco di ossigeno, si è ridotto da 140 metri a 90 metri di profondità. Cifre impressionanti che corrispondono a una diminuzione di oltre il 40% del volume abitabile.

Stratificazione permanente rispetto alla stratificazione stagionale

Il contenuto di sale favorisce la stratificazione verticale permanente nel Mar Nero. A questa stratificazione permanente si aggiunge una stratificazione stagionale dovuta alla temperatura dell’acqua. “In inverno”, continua Arthur Capet, “le temperature più basse accompagnate da venti più forti rendono l’acqua superficiale più fredda e più ricca di ossigeno. Tuttavia, l’acqua fredda è più densa di quella calda. Pertanto, quest’acqua fredda affonda e porta con sé l’ossigeno che contiene. Questo crea un effetto di ventilazione”. È questo fenomeno periodico che rifornisce di ossigeno gli strati più profondi. Nel caso del Mediterraneo, le acque superficiali raffreddate in inverno affondano verso il fondo, rifornendo di ossigeno l’intero bacino. Tuttavia, nel Mar Nero, queste acque sono bloccate nell’aloclino permanente, anche se sono più fredde delle acque profonde. In termini di densità, il sale alla fine vince sulla temperatura. Le acque fredde terminano qui il loro viaggio e conservano il loro ossigeno. In estate, le acque superficiali si riscaldano e non affondano più, creando così una nuova stratificazione della colonna d’acqua, il termoclino.

Diverse diagnosi per verificare la presenza di ossigeno

Per diagnosticare questo restringimento dello strato superiore ricco di ossigeno, Arthur Capet ha dovuto prendere in considerazione due fonti di variabilità che dovevano essere distinte per evitare conclusioni errate. Da un lato, la variabilità temporale, che fornisce una visione dell’evoluzione nel tempo della presenza di ossigeno nel mare, e dall’altro, la variabilità spaziale. “La penetrazione dell’ossigeno non è costante in tutte le zone. Soprattutto vicino alle coste, dove l’interazione tra la corrente e il fondo marino induce un aumento del mescolamento verticale, o vicino allo stretto del Bosforo. Era necessario prendere in considerazione ogni luogo in cui le misurazioni sono state effettuate per avere un’immagine chiara di questa evoluzione nel tempo. E poi c’era un’altra difficoltà: le correnti dominanti nel Mar Nero creano delle forze che sollevano la struttura verticale al centro del bacino e la abbassano alla periferia. Questo significa che a parità di profondità, l’acqua sarà meno densa vicino alla costa che al centro del bacino”. In altre parole, piuttosto che formare un confine orizzontale, l’aloclino assomiglia a una cupola. Per superare questa difficoltà supplementare, il ricercatore ha quantificato la concentrazione di ossigeno esprimendo la profondità in metri da un lato, e in termini di densità dall’altro. Il che ha permesso di trovare una media coerente per tutto il bacino e di stabilire un profilo verticale globale preciso per la colonna d’acqua.

Le cause di questo calo sorprendente

Diversi database storici contenevano informazioni, raccolte durante diverse campagne, sulla distribuzione dell’ossigeno nel Mar Nero. Compilando questi dati e quelli raccolti dalle boe ARGO, che vanno alla deriva liberamente e inviano informazioni satellitari sull’evoluzione della temperatura, della salinità e dell’ossigeno, è stato possibile confrontare più di 4000 profili, presi tra il 1955 e il 2015. Proponendo una media di tutte queste diagnosi e inventariando la quantità di ossigeno nel Mar Nero, l’osservazione finale è stata molto precisa e inequivocabile. La penetrazione dell’ossigeno è diminuita durante tutta la seconda metà del XX secolo, riducendosi da 140 metri nel 1955 a soli 90 metri nel 2015.

Ci sono state due cause successive dietro questo calo progressivo. Inizialmente una maggiore abbondanza di nutrienti, poi il riscaldamento globale. Fino agli anni 1990, l’intensità della ventilazione legata alla dinamica delle acque fredde non è diminuita. È addirittura aumentata in certi anni, durante gli inverni più rigidi. Pertanto, ci sarebbe dovuta essere una maggiore quantità di ossigeno disciolto. Tuttavia, la sua concentrazione continuava a diminuire in tutta la colonna d’acqua. Era necessario cercare la causa altrove che nella reazione fisica legata al clima. “In realtà”, contestualizza Arthur Capet, “questa carenza si spiega con l’eutrofizzazione estesa del bacino in questo periodo. Corrisponde a un grande boom economico dell’URSS, quando si sono sviluppate enormi fattorie e allevamenti estensivi di bestiame. Per di più, questo boom non è stato accompagnato da considerazioni ambientali”. I fertilizzanti e i rifiuti organici legati all’allevamento si sono fatti strada nei fiumi e sono finiti nel Mar Nero. Avevano un contenuto di nitrati e di fosfati molto elevato che incoraggiava la produzione primaria. “Così come i fertilizzanti incoraggiano le piante a crescere, influenzano anche la produzione di alghe. Queste alghe consumano ossigeno quando si decompongono o vengono consumate. Una maggiore biomassa porta quindi a un maggiore consumo di ossigeno”. Nel 1990, questo afflusso di nutrienti è diminuito significativamente. Ancora una volta, sembra che sia stato associato a un contesto geopolitico ed economico, poiché ha coinciso con la caduta dell’impero sovietico e le difficoltà economiche incontrate nella regione. È anche il momento in cui furono applicate le prime misure ambientali su larga scala.

E tuttavia, il livello di ossigeno non aumentò di nuovo. Al contrario, è rimasto lo stesso per diversi anni, quando gli inverni erano particolarmente freddi, prima di diminuire di nuovo. Questa volta, il colpevole è stato il riscaldamento globale, influenzando la ventilazione. Se gli inverni sono più caldi, si genera un volume inferiore di acqua densa, che riduce il contenuto di ossigeno quando queste acque scendono verso l’aloclino. “Il fenomeno potrebbe anche peggiorare. Prima, questa formazione di acqua fredda aveva luogo ogni anno. Eppure, i dati raccolti negli ultimi dieci anni testimoniano una formazione sempre più intermittente di acqua fredda. Stiamo analizzando i nostri risultati, ma sembrerebbe che questa ventilazione, una volta annuale, avvenga ora solo ogni due o tre anni. Non siamo ancora in grado di determinare le conseguenze di questo fenomeno, ma in ogni caso, stiamo assistendo a un sistema che cambia.”

Oltre a un mescolamento meno esteso e occasionale, questo riscaldamento maschera un altro effetto che porta alla deossigenazione. Una delle proprietà chimiche dell’acqua fredda fa sì che si saturi meno rapidamente dell’acqua calda. Più l’acqua è fredda, più può contenere gas disciolto, che ovviamente include l’ossigeno. Man mano che si riscalda, l’acqua superficiale è sempre più incapace di accumulare ossigeno. Di conseguenza, non solo l’ossigeno non colonizza più il Mar Nero in profondità, ma la sua concentrazione diminuisce in tutta la colonna d’acqua. La deossigenazione causata dall’aumento della temperatura dell’acqua è un problema globale che riguarda tutti gli oceani. Oggi il problema è preso molto sul serio dalla comunità scientifica.

Implicazioni da quantificare

Lo studio mira soprattutto a quantificare i processi fisici legati alla colonna d’acqua raccogliendo e analizzando i dati. Le dinamiche sembrano essere ormai ben comprese, sia in termini di spazio che di tempo. La grande incognita rimane l’influenza che queste variazioni avranno sull’ecosistema. I modelli che permettono lo studio dei diversi scenari nel Mar Nero devono ora essere integrati con questi nuovi dati di aloclino, termoclino e ossiclina, in modo che il loro impatto reale possa essere previsto con più precisione. Tuttavia, diverse strade possono già essere esplorate. “Il Mar Nero sta chiaramente affrontando una significativa compressione della sua area abitabile. L’intero ecosistema si forma in questo strato, dal fitoplancton ai predatori, che si evolvono nelle acque più profonde. L’intera catena trofica è organizzata nella colonna d’acqua in funzione della presenza di luce o di nutrienti. Precedentemente organizzata su una profondità di 140 metri, le interazioni tra questi gruppi trofici devono ora trovare un nuovo equilibrio su una profondità di 90 metri. Ci sarà un effetto ecologico ed economico. La pesca, che è una delle principali attività della regione, dovrà probabilmente adattarsi a questa riorganizzazione”. Secondo la FAO, la cattura è stata di 376.000 tonnellate nel 2013. Appena due volte meno che per tutto il Mediterraneo.

Un esterno tossico

Un ultimo processo merita di essere monitorato. Come già detto, la biomassa consuma ossigeno quando si decompone. Quando non c’è più ossigeno, questa biomassa continua a decadere, portando al consumo di solfati da parte dei batteri e alla produzione di solfuro di idrogeno (H2S), un gas altamente tossico. La stratificazione permanente del Mar Nero agisce come un coperchio sulle acque profonde, in cui questo solfuro di idrogeno si è accumulato e raggiunge ora concentrazioni senza precedenti. Nulla prova attualmente che l’abbassamento della profondità di penetrazione dell’ossigeno corrisponda direttamente ad un abbassamento della profondità di insorgenza dell’idrogeno solforato. “La profondità alla quale appare l’H2S non corrisponde esattamente alla profondità alla quale l’ossigeno scompare. C’è tutta una serie di processi intermedi in una zona mediana che è subossica e priva di idrogeno solforato. Ci siamo concentrati sull’ossigeno e il nostro studio ha rivelato un aumento nel limite superiore di questa zona, ma non in quello inferiore. Possiamo supporre che la stratificazione del Mar Nero rimarrà complessivamente stabile. Ma è possibile che se l’H2S dovesse salire, il clima instabile o le condizioni geologiche farebbero sì che l’idrogeno solforato buchi lo strato ossigenato. Questo potrebbe avere grandi ripercussioni sulla vita acquatica. Per determinare la situazione e risolvere la dinamica dell’H2S, dobbiamo ora modellare questi processi, e quantificare e inventariare la sua concentrazione”.