Om alla världens hav har Svarta havet en mycket speciell profil. Det är omgivet av land och skulle till och med kunna misstas för en stor sjö om det inte vore för det faktum att det är direkt förbundet med Medelhavet genom Bosporus-sundet, en liten en kilometer bred vattenväg. Ett hav omgivet av land som bestämmer dess speciella egenskaper. “Den huvudsakliga vattentillförseln till Svarta havet kommer från floder. Särskilt Donau”, förklarar Arthur Capet, förste författare till publikationen om minskningen av syre i Svarta havet och forskare vid MAST, som leds av Marilaure Grégoire, forskningsdirektör vid FNRS. “Detta sötvatten, som är mindre tätt än havsvatten, koloniserar de övre lagren av vattenpelaren utan att blanda sig med de lägre lagren.” Eftersom de nedre lagren är mycket saltare. Ursprunget finns sydväst om Svarta havet, i Bosporen. “Här sker ett utbyte med Medelhavet i två skikt. Sötvattnet vid ytan strömmar ut, och längre ner strömmar saltvattnet in och sjunker direkt mot de tätare nivåerna.”

Den permanenta skiktningen som är kopplad till salthalten, haloklinen, berövar de djupa vattnen syre. Den marina näringskedjan utvecklas därför ovanför denna gräns under vilken vattnet saknar syre. “Trots detta förser inflödet från Medelhavet de mellanliggande skikten med en liten mängd syre. Det innehåller inte bara syre, utan drar också med sig ytvatten när det sjunker nedåt. Detta syre förbrukas dock mycket snabbt när det organiska materialet bryts ned.” Det som händer är att det organiska material (plankton, alger osv.) som produceras på ytan genom fotosyntes bryts ner eller konsumeras och stöts ut av andra arter i den trofiska kedjan. I båda fallen sjunker det så småningom. Eftersom det krävs syre för att det ska kunna brytas ned, uttömmas de få reserver som finns i de lägre skikten.

“Det syresatta och därmed beboeliga området i Svarta havet är ett mycket begränsat utrymme. Detta gäller horisontellt, eftersom bassängen är nästan helt sluten, och även vertikalt, på grund av denna permanenta skiktning. Jämfört med andra hav är denna begränsade volym utsatt för stora yttre påverkan. Den är därför mer känslig och kan utvecklas snabbt”, förklarar Arthur Capet. Det är denna typ av utveckling som forskaren har kunnat observera. Genom att sammanställa data som samlats in under de senaste 60 åren kunde han konstatera att det syrerika översta lagret i Svarta havet hade krympt från 140 meter till 90 meters djup. Imponerande siffror som motsvarar en minskning av den beboeliga volymen med mer än 40 %.

Permanent skiktning jämfört med säsongsbaserad skiktning

Saltinnehållet gynnar den permanenta vertikala skiktningen i Svarta havet. Utöver denna permanenta stratifiering finns en säsongsbaserad stratifiering på grund av vattentemperaturen. “På vintern”, fortsätter Arthur Capet, “gör lägre temperaturer tillsammans med högre vindar ytvattnet kallare och rikare på syre. Men kallt vatten är tätare än varmt vatten. Därför sjunker det kalla vattnet och tar med sig syret som det innehåller. Detta skapar en ventilationseffekt.” Det är detta periodiska fenomen som förser de djupare lagren med syre. När det gäller Medelhavet sjunker det ytvatten som kyls ner på vintern till botten och förser hela bäckenet med syre. I Svarta havet blockeras dock dessa vatten i den permanenta haloklinen, trots att de är kallare än de djupa vattnen. När det gäller täthet vinner salt till slut över temperatur. Det kalla vattnet slutar sin resa här och behåller sitt syre. På sommaren värms ytvattnet upp och sjunker inte längre, vilket skapar en ny skiktning av vattenpelaren, termoklinen.

Flera diagnoser för att kontrollera närvaron av syre

För att diagnostisera denna krympning av det syrerika översta skiktet var Arthur Capet tvungen att ta hänsyn till två källor till variationer som måste särskiljas för att undvika vinklade slutsatser. Å ena sidan den tidsmässiga variabiliteten, som ger en bild av den tidsmässiga utvecklingen av syrenärvaron i havet, och å andra sidan den rumsliga variabiliteten. “Syrepenetrationen är inte konsekvent i alla områden. Särskilt nära kusterna, där interaktionen mellan strömmen och havsbotten inducerar en ökad vertikal blandning, eller nära Bosporus-sundet. Det var nödvändigt att ta hänsyn till varje plats där mätningarna gjordes för att få en tydlig bild av denna utveckling i tiden. Och sedan fanns det ytterligare en svårighet: de dominerande strömmarna i Svarta havet skapar krafter som lyfter den vertikala strukturen i mitten av bassängen och sänker den i periferin. Detta innebär att på samma djup kommer vattnet att vara mindre tätt nära kusten än i mitten av bäckenet.” Med andra ord liknar haloklinen snarare en kupol än en horisontell gräns. För att övervinna denna ytterligare svårighet kvantifierade forskaren syrekoncentrationen genom att uttrycka djupet i meter å ena sidan och i termer av densitet å andra sidan. Detta gjorde det möjligt att hitta ett konsekvent genomsnitt för hela bäckenet och fastställa en exakt övergripande vertikal profil för vattenpelaren.

Drivkrafterna bakom denna häpnadsväckande nedgång

Flera historiska databaser innehöll information om syrefördelningen i Svarta havet, som samlats in under ett antal kampanjer. Genom att sammanställa dessa siffror och de som samlats in av ARGO-bojorna, som driver fritt och skickar satellitinformation om utvecklingen av temperatur, salthalt och syre, var det möjligt att jämföra mer än 4 000 profiler, tagna mellan 1955 och 2015. Genom att föreslå ett genomsnitt av alla dessa diagnoser och genom att inventera syrgasmängden i Svarta havet var den slutliga observationen mycket exakt och entydig. Syrepenetrationen minskade under hela andra hälften av 1900-talet och krympte från 140 meter 1955 till endast 90 meter 2015.

Det fanns två successiva orsaker bakom denna gradvisa minskning. Ett större överflöd av näringsämnen inledningsvis, sedan den globala uppvärmningen. Fram till 1990-talet minskade inte intensiteten i ventilationen kopplad till dynamiken i de kalla vattnen. Den ökade till och med vissa år, under strängare vintrar. Därför borde det ha funnits en större mängd löst syre. Dess koncentration fortsatte dock att sjunka i hela vattenpelaren. Det var nödvändigt att söka orsaken någon annanstans än i den fysikaliska reaktion som är kopplad till klimatet. “I själva verket”, säger Arthur Capet, “kan denna brist förklaras av den omfattande eutrofieringen av avrinningsområdet under denna period. Den motsvarar en stor ekonomisk blomstring i Sovjetunionen, då enorma jordbruk och omfattande boskapsuppfödning utvecklades. Dessutom åtföljdes denna högkonjunktur inte av några miljöhänsyn.” Gödselmedel och organiskt avfall kopplat till uppfödningen hamnade i floderna och hamnade i Svarta havet. De hade en mycket hög nitrat- och fosfathalt vilket uppmuntrade primärproduktionen. “På samma sätt som gödselmedlen uppmuntrar växterna att växa, påverkar de också produktionen av alger. Dessa alger förbrukar syre när de förfaller eller konsumeras. En större biomassa leder därför till en större syreförbrukning.” År 1990 minskade detta inflöde av näringsämnen betydligt. Återigen verkar det som om det var förknippat med ett geopolitiskt och ekonomiskt sammanhang, eftersom det sammanföll med Sovjetimperiets fall och de ekonomiska svårigheterna i regionen. Det är också den tidpunkt då de första omfattande miljöåtgärderna tillämpades.

Och ändå ökade syrehalten inte igen. Tvärtom förblev den oförändrad under flera år, då vintrarna var särskilt kalla, innan den sjönk igen. Den här gången var den globala uppvärmningen den skyldige, genom att påverka ventilationen. Om vintrarna är varmare skapas en mindre volym tätt vatten, vilket minskar syrehalten när detta vatten sjunker ner till haloklinen. “Fenomenet kan mycket väl bli värre. Tidigare skedde denna bildning av kallt vatten varje år. Men de siffror som samlats in under de senaste tio åren vittnar om en alltmer intermittent bildning av kallt vatten. Vi håller för närvarande på att analysera våra resultat, men det verkar som om denna tidigare årliga ventilation nu bara sker vartannat eller vart tredje år. Vi kan fortfarande inte fastställa konsekvenserna av detta fenomen, men i vilket fall som helst bevittnar vi ett system i förändring.”

Förutom en mindre omfattande och tillfällig blandning döljer denna uppvärmning en annan effekt som leder till syrebrist. En av de kemiska egenskaperna hos kallt vatten innebär att det blir mättat mindre snabbt än varmt vatten. Ju kallare vattnet är, desto mer kan det innehålla lösta gaser, vilket naturligtvis inkluderar syre. När det värms upp kan ytvattnet i allt mindre utsträckning ackumulera syre. Det är inte bara så att syre inte längre koloniserar Svarta havet på djupet, utan även att koncentrationen av syre minskar i hela vattenpelaren. Den syrebrist som orsakas av den ökade vattentemperaturen är ett globalt problem som berör alla hav. I dag tas problemet på stort allvar av forskarsamhället.

Implikationer som ska kvantifieras

Studien syftar framför allt till att kvantifiera de fysikaliska processer som är kopplade till vattenpelaren genom att samla in och analysera data. Dynamiken verkar nu vara ordentligt förstådd, både när det gäller rum och tid. Den stora okända frågan är fortfarande vilket inflytande dessa variationer kommer att ha på ekosystemet. De modeller som gör det möjligt att studera de olika scenarierna i Svarta havet måste nu integreras med dessa nya haloklin-, termoklin- och oxiklindata, så att deras verkliga inverkan kan förutsägas mer exakt. Flera vägar kan dock redan utforskas. “Svarta havet står helt klart inför en betydande komprimering av sitt beboeliga område. Hela ekosystemet bildas i detta skikt, från fytoplankton till rovdjur, som utvecklas i de djupare vattnen. Hela den trofiska kedjan är organiserad i vattenpelaren beroende på närvaron av ljus eller näringsämnen. Interaktionen mellan dessa trofiska grupper, som tidigare var organiserad på 140 meters djup, måste nu hitta en ny balans på 90 meters djup. Detta kommer att få ekologiska och ekonomiska konsekvenser. Fisket, som är en av de viktigaste verksamheterna i regionen, kommer förmodligen att behöva anpassa sig till denna omorganisation.” Enligt FAO uppgick fångsten till 376 000 ton under 2013. Knappt två gånger mindre än för hela Medelhavet.

En giftig utomstående

En sista process förtjänar att övervakas. Som tidigare nämnts förbrukar biomassa syre när den förfaller. När det inte finns mer syre fortsätter denna biomassa att ruttna, vilket leder till att bakterierna förbrukar sulfater och producerar vätesulfid (H2S), en mycket giftig gas. Svarta havets permanenta skiktning fungerar som ett lock över djupvattnet, där svavelväte har ackumulerats och nu nått koncentrationer som saknar motstycke. Det finns för närvarande inget som bevisar att det minskade djupet för syreinträngning direkt motsvarar det minskade djupet för svavelväte. “Det djup på vilket H2S uppträder motsvarar inte exakt det djup på vilket syret försvinner. Det finns en hel rad mellanliggande processer i en medianzon som är suboxisk och saknar svavelväte. Vi fokuserade på syre och vår studie visade på en ökning i den övre gränsen av denna zon, men inte i den nedre. Vi kan anta att skiktningen i Svarta havet kommer att förbli stabil överlag. Men det är möjligt att om H2S skulle stiga upp, skulle instabila klimatförhållanden eller geologiska förhållanden leda till att svavelvätesulfiden tränger igenom det syrerika skiktet. Detta skulle kunna få stora konsekvenser för det akvatiska livet. För att fastställa situationen och lösa H2S-dynamiken måste vi nu modellera dessa processer och kvantifiera och inventera dess koncentration”

.