مناطق الحد الأدنى للأكسجين ومناطق المحيطات الميتة

فهم مناطق الحد الأدنى للأكسجين

مناطق الحد الأدنى للأكسجين هي سمات دائمة وطبيعية في محيطات العالم، وتوجد بشكل رئيسي في شرق المحيط الهادئ الاستوائي، وبحر العرب، وخليج البنغال. تتشكل في منتصف العمق (عادة 200-1000 متر) حيث تتقارب عمليتان: الطلب البيولوجي المكثف على الأكسجين من الميكروبات التي تحلل تساقط الجزيئات العضوية التي تغرق من سطح المحيط المنتج أعلاه، وضعف التهوية بالمياه العميقة والمتوسطة الغنية بالأكسجين من الأسفل. والنتيجة هي طبقة حيث يمكن أن ينخفض الأكسجين المذاب (DO) من قيمة التشبع السطحي البالغة ~8 ملغ لتر⁻¹ إلى أقل من 0.5 ملغ لتر⁻¹ — أو حتى إلى الصفر التحليلي في أكثر مناطق الحد الأدنى للأكسجين شدة، مثل شرق المحيط الهادئ الاستوائي قبالة بيرو وتشيلي، حيث تتطور الظروف الكبريتية.

سلسلة ستراما الزمنية لمدة 50 عامًا

جمعت دراسة ستراما وآخرين [1] ملاحظات هيدروغرافية متكررة من المحيط الأطلسي الاستوائي، والهادئ، والهندي على مدى 50 عامًا وقامت ببناء سلسلة زمنية للأكسجين المذاب في العمق. كشف تحليلهم عن توسع قوي إحصائيًا لحجم المياه منخفضة الأكسجين، حيث نمت منطقة الحد الأدنى للأكسجين في المحيط الأطلسي الاستوائي بحوالي 4.5 مليون كيلومتر مربع خلال هذه الفترة. بلغ متوسط فقدان الأكسجين في المحيط الأطلسي الاستوائي على عمق 300-700 متر 0.36 ميكرومول كيلوغرام⁻¹ لكل عقد — وهو معدل متواضع بالمعنى المطلق ولكنه يتراكم على مدى عقود لينتج تراجعًا قابلاً للقياس للطبقة العلوية الغنية بالأكسجين (الحد الذي يكون فيه الأكسجين كافيًا لمعظم الحيوانات). تشمل العوامل الفيزيائية انخفاض قابلية ذوبان الأكسجين في محيط دافئ (المياه الأكثر دفئًا تحتفظ بكمية أقل من الغاز المذاب) وزيادة التطبق الكثافة الذي يقلل من الاختلاط الهابط للمياه السطحية الغنية بالأكسجين في الطبقة الحرارية.

المناطق الساحلية الميتة: قصة التغذية المفرطة

في حين أن مناطق الحد الأدنى للأكسجين هي سمات لدوران منتصف المحيط المفتوح، فإن المناطق الساحلية الميتة هي ظاهرة بشرية مميزة تنتج عن التلوث بالمغذيات. عندما تصب الأنهار المحملة بالنتروجين والفوسفور من الأسمدة الزراعية، ومياه الصرف الصحي، والرواسب الجوية لمنتجات احتراق الوقود الأحفوري في البحار الساحلية، فإنها تغذي ازدهارًا هائلاً للعوالق النباتية. تموت هذه الأزهار في النهاية وتغرق، والتحلل الميكروبي لهذه الكمية الهائلة من المواد العضوية يستهلك الأكسجين المذاب في مياه القاع، مما يخلق ظروف نقص الأكسجين أو انعدام الأكسجين — نقص الأكسجين في مياه القاع — الذي يستمر لأسابيع إلى أشهر خلال التطبق الصيفي عندما تغطي المياه السطحية الدافئة الأقل كثافة النظام وتمنع إعادة الأكسجة من الأعلى.

منطقة نقص الأكسجين في خليج المكسيك

يستضيف شمال خليج المكسيك أكبر منطقة ميتة في نصف الكرة الغربي، تغذيها منظومة نهر المسيسيبي-اتشافالايا التي تستنزف 41% من الولايات المتحدة القارية — 1.8 مليون كيلومتر مربع من الأراضي الزراعية. في كل ربيع، تؤدي ذوبان الثلوج وأمطار الربيع إلى تدفق الجريان السطحي الغني بالنيتروجين من حقول الذرة وفول الصويا إلى المسيسيبي، الذي يوصل حمولة نيتروجين سنوية تبلغ حوالي 1.5 مليون طن إلى الخليج. بحلول منتصف الصيف، تغطي منطقة نقص الأكسجين الناتجة عادةً 13 ألف-15 ألف كيلومتر مربع من قاع الرف القاري لويزيانا-تكساس؛ في عام 2017، بلغت رقمًا قياسيًا قدره 22,720 كيلومتر مربع. أشار دياز وروزنبرغ [2] إلى أن منطقة الخليج المكسيكي الميتة هي من بين أفضل المناطق الموثقة عالميًا، حيث أظهرت المراقبة منذ منتصف الثمانينيات تباينًا سنويًا عاليًا (مدفوعًا بتدفق النهر) ولكن دون تحسن طويل الأمد في حمولة المغذيات من مستجمعات المياه.

بحر البلطيق

حوض بحر البلطيق شبه المغلق، وعتباته الضحلة التي تحد من تبادله مع بحر الشمال، ومستجمعات المياه المزرعة بكثافة والتي تشمل تسع دول، تجعله أكبر بحر مفرط التغذية في العالم. نقص الأكسجين في المياه المفتوحة بالبلطيق ليس ظاهرة موسمية بل مزمنة: شهدت أحواض البلطيق العميقة انعدام الأكسجين شبه الدائم منذ منتصف القرن العشرين على الأقل، وقد توسعت المنطقة التي تعاني من نقص الأكسجين والكبريتيد (السولفيديك) بشكل كبير. وثق كونلي وآخرون [4] أن نقص الأكسجين الساحلي — الذي يحدث في الأرخبيلات والخلجان التي كانت محمية سابقًا من انعدام الأكسجين في المياه المفتوحة — أصبح منتشرًا وغير مسبوق على طول ساحل البلطيق بحلول أوائل القرن الحادي والعشرين. وجد كراف وآخرون [3] أن مساحة نقص الأكسجين في بحر البلطيق المفتوح تجاوزت 60,000 كيلومتر مربع في السنوات الأخيرة، مع تغطية ظروف الكبريتيد (استنفاد الأكسجين الكامل مع إنتاج كبريتيد الهيدروجين) لما يصل إلى 20,000 كيلومتر مربع. وثق ماير وآخرون [5] معدلات استهلاك الأكسجين المتسارعة التي تزيد من نقص الأكسجين — مما يعني أنه حتى لو تم تخفيض حمولات المغذيات، فإن استعادة الأكسجين ستتأخر لعقود.

دوافع توسع مناطق الحد الأدنى للأكسجين

ارتفاع درجة حرارة المحيطات والتطبق

المحرك الأساسي لتوسع منطقة الحد الأدنى للأكسجين هو ارتفاع درجة حرارة المحيطات. تنخفض قابلية ذوبان الغازات مع ارتفاع درجة الحرارة: كلما ارتفعت درجة حرارة الماء، قل الأكسجين الذي يمكن أن يحتفظ به عند التشبع. مع ارتفاع درجة حرارة سطح المحيط، ينخفض محتوى الأكسجين في الماء الذي يندفع إلى الطبقة الحرارية. في الوقت نفسه، يقلل التطبق الحراري القوي من الاختلاط الهابط للمياه السطحية المؤكسجة والتهوية الصاعدة لمياه منطقة الحد الأدنى للأكسجين بواسطة الحمل الحراري العميق. توقع كوياتكوفسكي وآخرون [7] من نماذج CMIP6 أن متوسط الأكسجين المذاب العالمي سينخفض بنحو 3.5% بحلول عام 2100 بموجب SSP5-8.5، مع أكبر الخسائر في مياه الطبقة الحرارية الاستوائية حيث تكون مناطق الحد الأدنى للأكسجين أكثر كثافة بالفعل. يتوافق هذا مع توسع حجمي للمياه التي تعاني من نقص الأكسجين في النطاق العمقي 200-600 متر، مما سيؤدي إلى زيادة ضغط الموائل المتاحة للكائنات التي تعيش في منتصف الماء والطبقة الوسطى العلوية.

تلوث المغذيات وازدهار الطحالب

في الأنظمة الساحلية، المحرك الرئيسي لتوسع المناطق الميتة هو التغذية المفرطة — الإثراء المفرط للمياه بالمغذيات، بشكل أساسي النيتروجين التفاعلي (النترات، الأمونيوم) والفوسفور. زاد إنتاج النيتروجين التفاعلي العالمي بأكثر من عشرة أضعاف منذ عام 1900، مدفوعًا بعملية هابر-بوش لتصنيع الأسمدة الاصطناعية وحرق الوقود الأحفوري (الذي يطلق أكاسيد النيتروجين). تصدر مستجمعات المياه الزراعية نيتروجينًا أكثر بكثير إلى البحار الساحلية مما كانت عليه الأنظمة ما قبل الصناعية، مما يؤدي إلى أحداث نقص الأكسجين المتكررة والأكثر كثافة والأكثر اتساعًا جغرافيًا. وجد دياز وروزنبرغ [2] أن عدد المناطق الميتة الساحلية قد نما بشكل هائل بين عامي 1960 و 2008، من أقل من 10 مناطق موثقة عالميًا إلى أكثر من 400 منطقة — وهو مسار نمو مرتبط بشكل مباشر بإنتاج الأسمدة الاصطناعية وترسب النيتروجين.

عتبات نقص الأكسجين: ما تتسامح معه البيولوجيا

عتبة نقص الأكسجين البيئية الأساسية هي 2.0 ملغ O₂ لتر⁻¹ (62.5 ميكرومول كيلوغرام⁻¹). تحت هذا التركيز، تُخلي معظم الأسماك القاعية (الأنواع التي تعيش في القاع مثل القد والأسماك المفلطحة والهامور) المنطقة، أو تموت إذا لم تتمكن من الهرب. تحاول اللافقاريات المتحركة — الروبيان والسرطانات والكركند — الهجرة ولكن غالبًا ما تُحتجز بسبب مدى منطقة نقص الأكسجين. اللافقاريات اللاصقة — الإسفنجيات والمحار وشوكيات الجلد — لا تستطيع الهرب وتموت في مكانها، أحيانًا في أحداث موت جماعي مذهلة. تحت 0.5 ملغ لتر⁻¹، لا تستطيع البقاء إلا بعض الديدان الحلقية المتخصصة والبكتيريا اللاهوائية. استعرض سويتمان وآخرون [6] الآثار على المجتمعات القاعية في المياه العميقة وذكروا أن نقص الأكسجين دون الفتاك — تركيزات الأكسجين بين 2.0 و 4.0 ملغ لتر⁻¹ — يقلل من معدلات النمو والإنتاج التناسلي ووظيفة المناعة في اللافقاريات القاعية، مما يضر بمرونة المجتمع قبل وقت طويل من حدوث أحداث الموت الجماعي.

• أعلى من 4.0 ملغ لتر⁻¹: وظيفة طبيعية لمعظم الحيوانات البحرية. الحد الأدنى للأكسجين المذاب لمعظم أنواع أسماك الشعاب المرجانية.
• 2.0-4.0 ملغ لتر⁻¹ (نقص الأكسجين دون الفتاك): نمو وتكاثر ووظيفة مناعية منخفضة. تتجنب العديد من الأسماك هذه الأعماق.
• أقل من 2.0 ملغ لتر⁻¹ (نقص الأكسجين): موت جماعي للأسماك واللافقاريات؛ منطقة بيئية ميتة. العتبة القياسية للإعلان عن منطقة ميتة.
• أقل من 0.5 ملغ لتر⁻¹ (نقص الأكسجين الشديد/انعدام الأكسجين): غياب شبه كامل للكائنات الكبيرة؛ مجتمعات بكتيريا الكبريت. احتمال إنتاج غاز كبريتيد الهيدروجين عند انعدام الأكسجين الكامل.

العواقب البيئية

ضغط الموائل وتأثير الضغط

مع توسع مناطق الحد الأدنى للأكسجين صعوداً (نحو السطح)، يتم ضغط الأنواع المهمة تجارياً وبيئياً — بما في ذلك التونة ذات الزعانف الصفراء، والمارينا الأزرق، والماهي-ماهي، ومجموعة واسعة من الحبار الكبير — إلى طبقات سطحية أرق وغنية بالأكسجين. وقد تم توثيق تأثير 'ضغط الموائل' هذا تجريبياً باستخدام بيانات تحديد المواقع الإلكترونية من التونة في شرق المحيط الهادئ الاستوائي، حيث تحد منطقة الحد الأدنى للأكسجين الآن من سلوك الغوص إلى عمق الـ 100 متر العلوي. وبالنسبة للغواصين، يمكن أن يؤدي هذا التأثير الضغطي إلى تجمعات مذهلة من الكائنات البحرية الكبيرة بالقرب من السطح — ولكن هذه التجمعات تشير إلى إجهاد بيئي، وليس وفرة. كما أنها تزيد من ضعف الأسماك تجاه مصائد الصيد بالخيوط الطويلة السطحية، مما قد يسرع الاستغلال المفرط لمخزونات الأسماك المجهدة بالفعل.

انهيار المجتمعات القاعية والتعافي

تقتل أحداث المناطق الميتة المجتمعات القاعية بالكامل. قدر دياز وروزنبرغ [2] أن المناطق الميتة تقتل مليارات اللافقاريات القاعية سنويًا عبر رف خليج المكسيك وحده، مع خسائر اقتصادية مباشرة على مصائد القشريات والجمبري التجارية تقدر بمئات الملايين من الدولارات سنويًا. يعتمد تعافي القاع بعد أحداث نقص الأكسجين على شدة الحدث ومدته، وتوفر اليرقات القادمة من المناطق المحيطة الغنية بالأكسجين. بعد حدث معتدل واحد، قد يبدأ التعافي في غضون أسابيع مع عودة الأكسجين واستعمار الكائنات المتحركة من الأطراف. بعد انعدام الأكسجين المتكرر أو المطول — كما هو الحال في أحواض البلطيق العميقة — قد يتطلب التعافي عقودًا إلى قرون، خاصة إذا أصبحت الرواسب كبريتيدية.

أصبحت المناطق الميتة الآن مشكلة بيئية عالمية خطيرة، تضاهي في أهميتها فقدان التنوع البيولوجي وتغير المناخ، ولها القدرة على تغيير النظم البيئية الساحلية والمحيطية بشكل جوهري.

— دياز وروزنبرغ، ساينس، 2008 [2]

ما يواجهه الغواصون في مناطق الحد الأدنى للأكسجين ومناطق الموت

نادراً ما يواجه غواصو الرياضة مياه مناطق الأكسجين المنخفضة الأساسية بشكل مباشر، حيث تقع هذه المياه عادة تحت أعماق الغوص الرياضي (أقل من 200 متر). ومع ذلك، فإن التأثيرات البيئية مرئية في عمود الماء العلوي: تجمعات غير عادية للأسماك والحبار بالقرب من السطح فوق حواف مناطق الأكسجين المنخفضة المتدفقة لأعلى؛ ندرة واضحة لبعض الأنواع القاعية على منحدرات الجرف القاري؛ غياب مجتمعات الإسفنج والزنبق البحري المتنوعة التي تزدهر حيث تقوم المياه المؤكسجة بتهوية جدران الجبال البحرية. في المناطق الساحلية الميتة الضحلة، قد يكتشف الغواصون الذين يغامرون بدخول المضائق البلطيقية ذات الطبقات الصيفية، أو المياه المجاورة لخليج تشيسابيك، أو الرف الشمالي لخليج المكسيك، الرائحة المميزة لـكبريتيد الهيدروجين في العمق — نتيجة للبكتيريا التي تختزل الكبريتات والتي تستقلب في رواسب القاع عديمة الأكسجين تمامًا. غالبًا ما تنهار الرؤية في مياه المناطق الميتة مع زيادة تعكر المياه بسبب الطبقات البكتيرية والمواد العضوية الجسيمية.

السياسة، التعافي، والطريق الطويل للعودة

أدت خطة عمل HELCOM لبحر البلطيق، التي اعتمدت عام 2007، إلى وضع أهداف وطنية ملزمة لخفض المغذيات وأسفرت عن تراجعات متواضعة في حمولة النيتروجين من بعض الدول. تظهر المراقبة تحسينات طفيفة في مستوى الأكسجين في عدد قليل من المحطات الساحلية، لكن نقص الأكسجين في المياه المفتوحة في وسط البلطيق لا يزال شديدًا — لأن النظام يعاني من تأخر لعدة عقود بين خفض المغذيات واستجابة الأكسجين، مما يعكس وقت بقاء طويل للمغذيات المدمجة بالفعل في الرواسب. لن تتقلص منطقة الموت في خليج المكسيك بشكل كبير دون تخفيضات كبيرة في حمولات النيتروجين من الزراعة في حوض المسيسيبي — وهو تحدٍ أفشل العديد من أطر السياسات منذ التسعينيات. تعالج لوائح المنظمة البحرية الدولية بشأن مياه الصابورة، وأحكام الملحق الخامس لمارفول بشأن النفايات البحرية، ومخططات تداول المغذيات الناشئة بعض الضغوط ولكنها تترك المحرك الرئيسي — الجريان السطحي الزراعي — غير منظم إلى حد كبير في المصدر.

• خفض حمولات النيتروجين والفوسفور من الزراعة: التدخل الأكثر فعالية للمناطق الميتة الساحلية. يتطلب تحسين إدارة المغذيات، والمحاصيل الغطائية، والمناطق العازلة النهرية في مستجمعات المياه.
• تحسين معالجة مياه الصرف الصحي: تعالج المعالجة الثانوية والثلاثية بشكل كبير حمولات النيتروجين والفوسفور من المناطق الحضرية.
• استعادة الأراضي الرطبة الساحلية: أشجار المانجروف، والمستنقعات المالحة، وأسرة الأعشاب البحرية تعترض الجريان السطحي للمغذيات الأرضية قبل وصولها إلى البحر المفتوح.
• إدارة مصائد الأسماك للحفاظ على وظيفة شبكة الغذاء: المجتمعات المفترسة السليمة يمكن أن تقمع النمو الزائد للطحالب وتحافظ على توازن الأكسجين في الشعاب الضحلة.
• خفض انبعاثات الغازات الدفيئة: التدخل الوحيد الذي يعالج مكون ارتفاع حرارة المحيطات في توسع مناطق الحد الأدنى للأكسجين هو إزالة الكربون العميقة.

مستقبل المحيط تحت الانبعاثات العالية

توقع سويتمان وآخرون [6] أنه بحلول عام 2100، يمكن أن تشهد ما يصل إلى 70% من المنطقة الباثيالية (عمق 200-3000 متر) — وهي موطن الشعاب المرجانية في المياه الباردة، وتجمعات الأسماك على الجبال البحرية، ومواقع الغوص في الشعاب العميقة — نقصًا كبيرًا في الأكسجين في ظل سيناريوهات الانبعاثات العالية، مما سيغير بشكل أساسي المجتمعات البحرية العميقة التي لا يعرفها العلم إلى حد كبير وغير مستكشفة تمامًا من قبل الغواصين الترفيهيين. أما بالنسبة للأنظمة الأقل عمقًا، يتوقع كوياتكوفسكي وآخرون [7] انخفاض الأكسجين في مياه الطبقة الحرارية الاستوائية تحت جميع سيناريوهات SSP، مع تسبب SSP5-8.5 في خسائر كبيرة بما يكفي للتسبب في توسع دائم لحدود مناطق الحد الأدنى للأكسجين العلوية إلى المنطقة الميزوبيلجية حيث تتغذى أنواع الأسماك التجارية. وبالنسبة لوجهات الغوص التي تعتمد على الإنتاجية الاستثنائية لأنظمة الارتفاع — جزر غالاباغوس، وسوكورو، وجزيرة كوكوس، وقناة موزمبيق — يمثل ارتفاع مناطق الحد الأدنى للأكسجين ضغطًا إضافيًا يضاف إلى ابيضاض المرجان الحراري، والتحمض، والصيد الجائر، مما يضغط الهامش البيئي الذي تعمل فيه هذه النظم البيئية الغوصية العالمية حاليًا.