Van alle zeeën van de planeet heeft de Zwarte Zee een zeer bijzonder profiel. Omgeven door land, zou zij zelfs voor een groot meer kunnen worden aangezien, ware het niet dat zij rechtstreeks met de Middellandse Zee is verbonden door de Bosporusstraat, een kleine waterweg van één kilometer breed. Een zee omgeven door land, dat zijn bijzondere kenmerken bepaalt. “De Zwarte Zee wordt voornamelijk van water voorzien door rivieren. Vooral de Donau,” legt Arthur Capet uit, eerste auteur van de publicatie over de afname van zuurstof in de Zwarte Zee en onderzoeker bij MAST, geleid door Marilaure Grégoire, FNRS-onderzoeksdirecteur. “Dit zoete water, dat minder dicht is dan zeewater, koloniseert de bovenste lagen van de waterkolom zonder zich te vermengen met de onderste lagen.” Omdat de onderste lagen veel zouter zijn. De oorsprong ligt in het zuidwesten van de Zwarte Zee, in de Bosporus. “Hier is er een uitwisseling met de Middellandse Zee in twee lagen. Het zoete water aan de oppervlakte stroomt naar buiten, en lager stroomt het zoute water naar binnen en zinkt direct naar de dichtere niveaus.”
De permanente gelaagdheid die samenhangt met het zoutgehalte, de halocline, berooft het diepe water van zuurstof. De mariene voedselketen ontwikkelt zich dus boven deze grens waaronder het water verstoken is van zuurstof. “De instroom van de Middellandse Zee levert echter een kleine hoeveelheid zuurstof aan de tussenliggende lagen. Hij bevat niet alleen zuurstof, maar neemt bij het afdalen ook oppervlaktewater mee. Deze zuurstof wordt echter zeer snel verbruikt wanneer het organisch materiaal vergaat.” Wat er gebeurt is dat het organisch materiaal (plankton, algen, enz.), aan de oppervlakte geproduceerd door fotosynthese, afbreekt of wordt geconsumeerd en uitgestoten door andere soorten in de trofische keten. In beide gevallen zinkt het uiteindelijk. Aangezien zuurstof nodig is om af te breken, raken de weinige reserves die in de onderste lagen aanwezig zijn, uitgeput.
“Het zuurstofrijke en dus bewoonbare gebied van de Zwarte Zee is een zeer beperkte ruimte. Dit is horizontaal het geval, omdat het bekken bijna volledig gesloten is, en ook verticaal, als gevolg van deze permanente gelaagdheid. In vergelijking met andere zeeën is dit beperkte volume blootgesteld aan grote invloeden van buitenaf. Het is dus gevoeliger en in staat om zich snel te ontwikkelen,” legt Arthur Capet uit. Het is dit soort evolutie dat de onderzoeker heeft kunnen waarnemen. Uit de gegevens van de afgelopen 60 jaar heeft hij kunnen afleiden dat de zuurstofrijke bovenlaag van de Zwarte Zee van 140 meter tot 90 meter diepte is geslonken. Indrukwekkende cijfers die overeenkomen met een afname van het bewoonbare volume met meer dan 40 %.
Permanente stratificatie vergeleken met seizoensgebonden stratificatie
Het zoutgehalte bevordert de permanente verticale stratificatie in de Zwarte Zee. Naast deze permanente stratificatie is er een seizoensgebonden stratificatie als gevolg van de temperatuur van het water. “In de winter”, zo vervolgt Arthur Capet, “maken lagere temperaturen, gepaard gaande met hogere winden, het oppervlaktewater kouder en rijker aan zuurstof. Koud water heeft echter een grotere dichtheid dan warm water. Daarom zinkt dit koude water en neemt de zuurstof die het bevat met zich mee. Zo ontstaat een ventilatie-effect.” Het is dit periodieke verschijnsel dat de diepere lagen van zuurstof voorziet. In het geval van de Middellandse Zee zinkt het in de winter afgekoelde oppervlaktewater naar de bodem, waardoor het hele bekken van zuurstof wordt voorzien. In de Zwarte Zee daarentegen wordt dit water geblokkeerd in de permanente halocline, ook al is het kouder dan het diepe water. Wat de dichtheid betreft, wint het zout het uiteindelijk van de temperatuur. De koude wateren beëindigen hier hun reis, en behouden hun zuurstof. In de zomer warmen de oppervlaktewateren op en zinken niet langer, waardoor een nieuwe gelaagdheid van de waterkolom ontstaat, de thermocline.
Verschillende diagnoses om de aanwezigheid van zuurstof te controleren
Om deze inkrimping van de zuurstofrijke toplaag te diagnosticeren, moest Arthur Capet rekening houden met twee bronnen van variabiliteit die onderscheiden moesten worden om vertekende conclusies te vermijden. Enerzijds de temporele variabiliteit, die een beeld geeft van de evolutie in de tijd van de aanwezigheid van zuurstof in de zee, en anderzijds de ruimtelijke variabiliteit. “De zuurstofpenetratie is niet overal even consistent. Vooral dicht bij kustlijnen, waar de interactie tussen de stroming en de zeebodem een verhoogde verticale menging veroorzaakt, of dicht bij de Bosporus-straat. Er moest rekening worden gehouden met elke plaats waar de metingen werden verricht om een duidelijk beeld te krijgen van deze evolutie in de tijd. En dan was er nog een andere moeilijkheid: de dominante stromingen in de Zwarte Zee creëren krachten die de verticale structuur in het midden van het bekken optillen en in de periferie verlagen. Dit betekent dat bij dezelfde diepte het water dicht bij de kust minder dicht zal zijn dan in het midden van het bekken”. Met andere woorden, in plaats van een horizontale grens te vormen, lijkt de halocline op een koepel. Om deze bijkomende moeilijkheid te overwinnen, heeft de onderzoeker de zuurstofconcentratie gekwantificeerd door de diepte enerzijds in meters en anderzijds in dichtheid uit te drukken. Dit maakte het vervolgens mogelijk een consistent gemiddelde voor het gehele bekken te vinden en een nauwkeurig algemeen verticaal profiel voor de waterkolom vast te stellen.
De drijvende krachten achter deze verbazingwekkende daling
Een aantal historische databanken bevatte informatie, verzameld tijdens een aantal campagnes, over de zuurstofverdeling in de Zwarte Zee. Door deze gegevens te combineren met die van de ARGO-boeien, die vrij ronddrijven en satellietinformatie versturen over de evolutie van temperatuur, zoutgehalte en zuurstof, konden meer dan 4000 profielen, genomen tussen 1955 en 2015, met elkaar worden vergeleken. Door een gemiddelde van al deze diagnoses voor te stellen en de hoeveelheid zuurstof in de Zwarte Zee te inventariseren, was de uiteindelijke waarneming zeer nauwkeurig en eenduidig. De zuurstofpenetratie is in de loop van de tweede helft van de 20e eeuw gedaald, van 140 meter in 1955 tot nog maar 90 meter in 2015.
Er waren twee opeenvolgende oorzaken voor deze geleidelijke daling. Eerst een grotere overvloed aan voedingsstoffen, daarna de opwarming van de aarde. Tot in de jaren negentig is de intensiteit van de ventilatie, die samenhangt met de dynamiek van de koude wateren, niet afgenomen. In bepaalde jaren, tijdens strengere winters, nam deze zelfs toe. Er had dus een grotere hoeveelheid opgeloste zuurstof moeten zijn. De concentratie bleef echter dalen in de hele waterkolom. De oorzaak moest elders worden gezocht dan in de fysische reactie in verband met het klimaat. “In werkelijkheid”, zo contextualiseert Arthur Capet, “kan dit tekort worden verklaard door de omvangrijke eutrofiëring van het bekken in deze periode. Het valt samen met een grote economische bloei in de USSR, toen enorme boerderijen en extensieve veeteelt werden ontwikkeld. Bovendien ging deze boom niet gepaard met milieuoverwegingen.” Meststoffen en organisch afval in verband met de veeteelt kwamen in de rivieren terecht en kwamen in de Zwarte Zee terecht. Deze hadden een zeer hoog nitraat- en fosfaatgehalte, waardoor de primaire productie werd gestimuleerd. “Net zoals de meststoffen planten tot groei aanzetten, beïnvloeden zij ook de productie van algen. Deze algen verbruiken zuurstof wanneer ze vergaan of worden verbruikt. Een grotere biomassa leidt dus tot een groter verbruik van zuurstof.” In 1990 is deze toevoer van voedingsstoffen sterk afgenomen. Ook hier lijkt er een verband te bestaan met een geopolitieke en economische context, aangezien deze samenviel met de val van het Sovjet-imperium en de economische moeilijkheden in de regio. Het is ook het moment waarop de eerste grootschalige milieumaatregelen werden toegepast.
En toch nam het zuurstofgehalte niet opnieuw toe. Integendeel, het bleef enkele jaren gelijk, toen de winters bijzonder koud waren, en daalde daarna weer. Deze keer was de opwarming van de aarde de boosdoener, door de ventilatie te beïnvloeden. Als de winters warmer zijn, ontstaat er een kleiner volume dicht water, waardoor het zuurstofgehalte daalt wanneer dit water naar de halocline zakt. “Het fenomeen zou wel eens erger kunnen worden. Vroeger vond deze vorming van koud water elk jaar plaats. De cijfers van de laatste tien jaar wijzen er echter op dat de vorming van koud water met steeds grotere tussenpozen plaatsvindt. Wij zijn momenteel bezig met de analyse van onze resultaten, maar het lijkt erop dat deze eens jaarlijkse ventilatie nu nog slechts om de twee of drie jaar plaatsvindt. We kunnen nog steeds niet bepalen wat de gevolgen van dit verschijnsel zijn, maar in ieder geval zijn we getuige van een veranderend systeem.”
Naast een minder uitgebreide en incidentele menging verhult deze opwarming nog een ander effect dat tot zuurstofloosheid leidt. Een van de chemische eigenschappen van koud water is dat het minder snel verzadigd raakt dan warm water. Hoe kouder het water, hoe meer opgelost gas het kan bevatten, waaronder uiteraard zuurstof. Naarmate het warmer wordt, kan het oppervlaktewater steeds minder zuurstof opnemen. Het gevolg is niet alleen dat zuurstof de Zwarte Zee op diepte niet langer koloniseert, maar ook dat de concentratie ervan in de hele waterkolom afneemt. Het zuurstofgebrek als gevolg van de stijging van de temperatuur van het water is een wereldwijd probleem dat alle oceanen aangaat. Het probleem wordt tegenwoordig door de wetenschappelijke gemeenschap zeer ernstig genomen.
Implicaties te kwantificeren
De studie is er vooral op gericht de fysische processen in verband met de waterkolom te kwantificeren door het verzamelen en analyseren van de gegevens. De dynamiek lijkt nu goed te worden begrepen, zowel wat de ruimte als wat de tijd betreft. De grote onbekende blijft de invloed die deze variaties op het ecosysteem zullen hebben. De modellen die het mogelijk maken de verschillende scenario’s in de Zwarte Zee te bestuderen, moeten nu worden geïntegreerd met deze nieuwe gegevens over halocline, thermocline en oxycline, zodat de reële impact daarvan nauwkeuriger kan worden voorspeld. Verschillende pistes kunnen echter reeds worden verkend. “De Zwarte Zee wordt duidelijk geconfronteerd met een aanzienlijke compressie van haar bewoonbare oppervlakte. Het hele ecosysteem wordt in deze laag gevormd, van het fytoplankton tot de roofdieren, die zich in de diepere wateren ontwikkelen. De hele trofische keten is in de waterkolom georganiseerd op basis van de aanwezigheid van licht of voedingsstoffen. De interacties tussen deze trofische groepen, die voorheen op een diepte van 140 meter waren georganiseerd, moeten nu een nieuw evenwicht vinden op een diepte van 90 meter. Dit zal ecologische en economische gevolgen hebben. De visserij, een van de belangrijkste activiteiten in de regio, zal zich waarschijnlijk aan deze reorganisatie moeten aanpassen. “Volgens de FAO bedroeg de vangst in 2013 376.000 ton. Nauwelijks twee keer minder dan voor de hele Middellandse Zee.
Een giftige buitenstaander
Een laatste proces verdient het om in de gaten te worden gehouden. Zoals eerder gezegd, verbruikt biomassa zuurstof bij het vergaan. Wanneer er geen zuurstof meer is, blijft deze biomassa rotten, wat leidt tot de consumptie van sulfaten door de bacteriën en de produktie van waterstofsulfide (H2S), een zeer giftig gas. De permanente stratificatie van de Zwarte Zee fungeert als een deksel over de diepe wateren, waarin dit waterstofsulfide zich heeft opgehoopt en thans ongekende concentraties bereikt. Niets bewijst momenteel dat de verschuiving van de zuurstofpenetratiediepte rechtstreeks overeenkomt met een verschuiving van de aanzetdiepte van waterstofsulfide. “De diepte waarop de H2S verschijnt, komt niet precies overeen met de diepte waarop de zuurstof verdwijnt. Er is een hele reeks intermediaire processen in een middenzone die suboxisch is en waar geen waterstofsulfide voorkomt. Wij hebben ons geconcentreerd op zuurstof en ons onderzoek heeft een stijging aan het licht gebracht in de bovengrens van deze zone, maar niet in de benedengrens. Wij kunnen ervan uitgaan dat de stratificatie van de Zwarte Zee over het geheel genomen stabiel zal blijven. Maar het is mogelijk dat als de H2S zou stijgen, onstabiele klimatologische of geologische omstandigheden ertoe zouden leiden dat de waterstofsulfide door de zuurstofrijke laag heen zou dringen. Dit zou grote gevolgen kunnen hebben voor het leven in het water. Om de situatie te bepalen en de dynamiek van de H2S op te lossen, moeten wij nu deze processen modelleren en de concentratie ervan kwantificeren en inventariseren.”