Spośród wszystkich mórz naszej planety, Morze Czarne ma bardzo szczególny profil. Otoczone lądem, mogłoby nawet zostać pomylone z wielkim jeziorem, gdyby nie fakt, że jest bezpośrednio połączone z Morzem Śródziemnym przez Cieśninę Bosfor, niewielką drogę wodną o szerokości jednego kilometra. Morze otoczone lądem, który decyduje o jego szczególnych cechach. “Woda do Morza Czarnego dostarczana jest głównie przez rzeki. Zwłaszcza Dunaj”, wyjaśnia Arthur Capet, pierwszy autor publikacji na temat spadku zawartości tlenu w Morzu Czarnym i badacz w MAST, kierowanym przez Marilaure Grégoire, dyrektora badań FNRS. “Ta słodka woda, która ma mniejszą gęstość niż woda morska, kolonizuje górne warstwy słupa wody, nie mieszając się z warstwami dolnymi”. Ponieważ dolne warstwy są o wiele bardziej zasolone. Pochodzenia należy szukać na południowy zachód od Morza Czarnego, w Bosforze. “Tutaj następuje wymiana z Morzem Śródziemnym w dwóch warstwach. Słodka woda na powierzchni wypływa, a niżej napływa słona woda i opada bezpośrednio w kierunku gęstszych poziomów.”

Stała stratyfikacja związana z zasoleniem, haloklina, pozbawia głębokie wody tlenu. Morski łańcuch pokarmowy rozwija się więc powyżej tej granicy, poniżej której wody pozbawione są tlenu. “Mimo to, dopływ z Morza Śródziemnego dostarcza niewielką ilość tlenu do warstw pośrednich. Nie tylko zawiera on tlen, ale podczas opadania porywa ze sobą wody powierzchniowe. Tlen ten jest jednak bardzo szybko zużywany w miarę rozkładu materii organicznej.” To, co się dzieje, to fakt, że materia organiczna (plankton, algi, itp.), produkowana na powierzchni w procesie fotosyntezy, rozpada się lub jest konsumowana i wydalana przez inne gatunki w łańcuchu troficznym. W obu przypadkach ostatecznie tonie. Ponieważ wymaga tlenu do rozkładu, nieliczne rezerwy, które istnieją w niższych warstwach są wyczerpane.

“Natleniony, a zatem nadający się do zamieszkania obszar Morza Czarnego jest bardzo ograniczoną przestrzenią. Tak jest w poziomie, ponieważ basen jest prawie całkowicie zamknięty, a także w pionie, ze względu na stałą stratyfikację. W porównaniu z innymi morzami, ta ograniczona objętość jest narażona na główne wpływy zewnętrzne. Jest zatem bardziej wrażliwa i zdolna do szybkiej ewolucji” – wyjaśnia Arthur Capet. Właśnie ten rodzaj ewolucji badacz był w stanie zaobserwować. Zestawiając dane zebrane w ciągu ostatnich 60 lat, zauważył, że bogata w tlen górna warstwa Morza Czarnego skurczyła się ze 140 metrów do 90 metrów głębokości. Imponujące liczby, które odpowiadają ponad 40-procentowemu zmniejszeniu objętości nadającej się do zamieszkania.

Stała stratyfikacja w porównaniu z sezonową stratyfikacją

Zawartość soli sprzyja stałej stratyfikacji pionowej w Morzu Czarnym. Obok tej stałej stratyfikacji występuje stratyfikacja sezonowa, wynikająca z temperatury wody. “W zimie – kontynuuje Arthur Capet – niższe temperatury, którym towarzyszą silniejsze wiatry, sprawiają, że wody powierzchniowe są chłodniejsze i bogatsze w tlen. Jednakże, zimna woda jest gęstsza niż ciepła. Dlatego ta zimna woda tonie i zabiera ze sobą zawarty w niej tlen. W ten sposób powstaje efekt wentylacji”. To właśnie to okresowe zjawisko zaopatruje głębsze warstwy w tlen. W przypadku Morza Śródziemnego, schłodzone zimą wody powierzchniowe opadają na dno, zaopatrując cały basen w tlen. Natomiast w Morzu Czarnym wody te są zablokowane w stałej haloklinie, mimo że są zimniejsze niż wody głębinowe. Pod względem gęstości, sól ostatecznie wygrywa z temperaturą. Zimne wody kończą tu swoją wędrówkę i zachowują tlen. Latem wody powierzchniowe ocieplają się i już nie toną, tworząc w ten sposób nową stratyfikację słupa wody, termoklinę.

Kilka diagnostyk sprawdzających obecność tlenu

Aby zdiagnozować to kurczenie się bogatej w tlen górnej warstwy, Arthur Capet musiał wziąć pod uwagę dwa źródła zmienności, które należało rozróżnić, aby uniknąć tendencyjnych wniosków. Z jednej strony zmienność czasowa, dająca pogląd na ewolucję w czasie obecności tlenu w morzu, a z drugiej strony zmienność przestrzenna. “Penetracja tlenu nie jest spójna na wszystkich obszarach. Szczególnie w pobliżu linii brzegowych, gdzie interakcja między prądem a dnem morskim wywołuje zwiększone mieszanie pionowe, czy w pobliżu cieśniny Bosfor. Trzeba było wziąć pod uwagę każde miejsce, w którym dokonywano pomiarów, aby uzyskać wyraźny obraz tej ewolucji w czasie. A potem pojawiła się kolejna trudność: dominujące prądy w Morzu Czarnym tworzą siły, które podnoszą strukturę pionową w środku basenu i obniżają ją na jego obrzeżach. Oznacza to, że na tej samej głębokości woda będzie miała mniejszą gęstość w pobliżu wybrzeża niż w środku basenu.” Innymi słowy, zamiast tworzyć poziomą granicę, haloklina przypomina kopułę. Aby przezwyciężyć tę dodatkową trudność, naukowcy określili stężenie tlenu wyrażając z jednej strony głębokość w metrach, a z drugiej strony gęstość. Co następnie umożliwiło znalezienie spójnej średniej dla całego basenu i ustalenie dokładnego ogólnego profilu pionowego dla kolumny wody.

Kierownicy tego zdumiewającego spadku

Kilka historycznych baz danych zawierało informacje, zebrane podczas wielu kampanii, na temat dystrybucji tlenu w Morzu Czarnym. Zestawiając te dane z danymi zebranymi przez boje ARGO, które dryfują swobodnie i wysyłają satelitarne informacje o zmianach temperatury, zasolenia i tlenu, możliwe było porównanie ponad 4000 profili wykonanych w latach 1955-2015. Proponując średnią z tych wszystkich diagnoz i inwentaryzując ilość tlenu w Morzu Czarnym, ostateczna obserwacja była bardzo dokładna i jednoznaczna. Penetracja tlenu zmniejszała się przez całą drugą połowę XX wieku, kurcząc się ze 140 metrów w 1955 roku do zaledwie 90 metrów w 2015 roku.

Za tym stopniowym spadkiem stały dwie następujące po sobie przyczyny. Początkowo większa obfitość składników odżywczych, a następnie globalne ocieplenie. Do lat 90. intensywność wietrzenia związanego z dynamiką zimnych wód nie malała. W niektórych latach, w czasie ostrzejszych zim, nawet wzrastała. W związku z tym ilość rozpuszczonego tlenu powinna być większa. Tymczasem jego stężenie w całym słupie wody ciągle spadało. Trzeba było szukać przyczyny gdzie indziej niż w fizycznej reakcji związanej z klimatem. “W rzeczywistości”, podsumowuje Arthur Capet, “niedobór ten można wyjaśnić rozległą eutrofizacją dorzecza w tym okresie. Odpowiada to wielkiemu boomowi gospodarczemu w ZSRR, kiedy rozwijały się wielkie gospodarstwa rolne i ekstensywna hodowla bydła. Co więcej, temu boomowi nie towarzyszyły względy ekologiczne.” Nawozy i odpady organiczne związane z hodowlą trafiały do rzek i kończyły w Morzu Czarnym. Miały one bardzo wysoką zawartość azotanów i fosforanów, co sprzyjało produkcji pierwotnej. “Tak jak nawozy zachęcają rośliny do wzrostu, tak samo wpływają na produkcję glonów. Glony te zużywają tlen, gdy się rozkładają lub są konsumowane. Większa biomasa prowadzi zatem do większego zużycia tlenu.” W 1990 roku ten napływ substancji odżywczych znacznie się zmniejszył. Po raz kolejny wydaje się, że było to związane z kontekstem geopolitycznym i ekonomicznym, ponieważ zbiegło się z upadkiem imperium sowieckiego i trudnościami gospodarczymi napotkanymi w regionie. Jest to również moment, w którym zastosowano pierwsze środki ochrony środowiska na szeroką skalę.

A jednak poziom tlenu nie wzrósł ponownie. Wręcz przeciwnie, pozostał taki sam przez kilka lat, kiedy zimy były szczególnie mroźne, po czym ponownie się obniżył. Tym razem winowajcą było globalne ocieplenie, poprzez wpływ na wentylację. Jeśli zimy są cieplejsze, powstaje mniejsza objętość gęstej wody, co zmniejsza zawartość tlenu, gdy wody te opadają w dół do halokliny. “Zjawisko to może się pogłębiać. Wcześniej takie tworzenie się zimnej wody miało miejsce każdego roku. Jednak dane zebrane w ciągu ostatnich dziesięciu lat świadczą o coraz bardziej nieregularnym tworzeniu się zimnej wody. Obecnie analizujemy nasze wyniki, ale wydaje się, że to niegdyś coroczne wietrzenie ma miejsce tylko co dwa lub trzy lata. Wciąż nie potrafimy określić konsekwencji tego zjawiska, ale w każdym razie jesteśmy świadkami zmieniającego się systemu.”

Poza mniej rozległym i sporadycznym mieszaniem, to ocieplenie maskuje inny efekt prowadzący do odtlenienia. Jedna z właściwości chemicznych zimnej wody oznacza, że staje się ona nasycona mniej szybko niż woda ciepła. Im zimniejsza woda, tym więcej może zawierać rozpuszczonych gazów, do których oczywiście zalicza się tlen. W miarę ogrzewania wody powierzchniowe nie są w stanie w coraz większym stopniu gromadzić tlenu. W konsekwencji tlen nie tylko nie kolonizuje już Morza Czarnego na głębokości, ale co więcej, jego stężenie maleje w całym słupie wody. Odtlenianie spowodowane wzrostem temperatury wody jest problemem globalnym, który dotyczy wszystkich oceanów. Obecnie problem ten jest traktowany bardzo poważnie przez społeczność naukową.

Implications to be quantified

Badanie ma na celu przede wszystkim ilościowe określenie procesów fizycznych związanych z kolumną wody poprzez zebranie i analizę danych. Dynamika wydaje się być właściwie zrozumiana teraz, zarówno pod względem przestrzeni jak i czasu. Wielką niewiadomą pozostaje wpływ, jaki te zmiany będą miały na ekosystem. Modele umożliwiające badanie różnych scenariuszy w Morzu Czarnym muszą być teraz zintegrowane z tymi nowymi danymi dotyczącymi halokliny, termokliny i oksykliny, tak aby można było dokładniej przewidzieć ich rzeczywisty wpływ. Jednak kilka dróg może być już zbadane. “Morze Czarne wyraźnie stoi w obliczu znacznej kompresji jego obszaru nadającego się do zamieszkania. W tej warstwie tworzy się cały ekosystem, od fitoplanktonu po drapieżniki, które rozwijają się w głębszych wodach. Cały łańcuch troficzny jest zorganizowany w kolumnie wody w zależności od obecności światła lub składników odżywczych. Interakcje między tymi grupami troficznymi, które wcześniej były zorganizowane na głębokości 140 metrów, muszą teraz znaleźć nową równowagę na głębokości 90 metrów. Będzie to miało wpływ na środowisko i gospodarkę. Rybołówstwo, które jest jedną z głównych działalności w regionie, prawdopodobnie będzie musiało dostosować się do tej reorganizacji. “Według FAO, połowy wyniosły 376 000 ton w 2013 roku. Ledwie dwa razy mniej niż dla całego Morza Śródziemnego.

Toksyczny outsider

Jeden ostatni proces zasługuje na monitorowanie. Jak już wcześniej wspomniano, biomasa zużywa tlen podczas rozkładu. Kiedy nie ma już tlenu, biomasa nadal się rozkłada, co prowadzi do zużycia siarczanów przez bakterie i produkcji siarkowodoru (H2S), wysoce toksycznego gazu. Stała stratyfikacja Morza Czarnego działa jak pokrywa na głębokie wody, w których ten siarkowodór gromadzi się i osiąga obecnie niespotykane stężenia. Nic obecnie nie dowodzi, że przesuwanie się głębokości penetracji tlenu bezpośrednio odpowiada przesuwanie się głębokości pojawienia się siarkowodoru. “Głębokość, na której pojawia się H2S nie odpowiada dokładnie głębokości, na której znika tlen. Istnieje cała seria procesów pośrednich w strefie środkowej, która jest suboksyczna i pozbawiona siarkowodoru. My skupiliśmy się na tlenie i nasze badania wykazały wzrost w górnej granicy tej strefy, ale nie w dolnej. Możemy założyć, że stratyfikacja Morza Czarnego pozostanie ogólnie stabilna. Ale możliwe jest, że gdyby H2S wzrósł, niestabilny klimat lub warunki geologiczne spowodowałyby, że siarkowodór przebiłby się przez natlenioną warstwę. Mogłoby to mieć poważne reperkusje dla życia wodnego. Aby określić sytuację i rozwiązać problem dynamiki H2S, musimy teraz modelować te procesy, a także określić ilościowo i zinwentaryzować jego stężenie.”

.