Hapettomat vyöhykkeet ja kuolleet merialueet

Hapettomien vyöhykkeiden ymmärtäminen

OMZ:t ovat pysyviä, luonnollisesti esiintyviä maailman valtameren piirteitä, joita esiintyy pääasiassa itäisellä trooppisella Tyynellämerellä, Arabianmerellä ja Bengalinlahdella. Ne muodostuvat keskisyvyyksillä (yleensä 200–1 000 m), joissa kaksi prosessia yhtyvät: voimakas biologinen hapenkulutus mikrobien hajottaessa tuotteliaan pintameren orgaanisten hiukkasten sateen ja heikko ilmanvaihto hyvin happipitoisten syvien ja välikerrostettujen vesien ansiosta alhaalta päin. Tuloksena on kerros, jossa liuennut happi (DO) voi laskea pinnan kyllästysarvosta ~8 mg L⁻¹ alle 0,5 mg L⁻¹ – tai jopa analyyttiseen nollaan intensiivisimmillä OMZ-alueilla, kuten itäisellä trooppisella eteläisellä Tyynellämerellä Perun ja Chilen edustalla, missä kehittyy rikkipitoisia olosuhteita.

Stramman 50-vuoden aikasarja

Stramma et al. [1] kokosivat toistettuja hydrografisia havaintoja trooppisesta Atlantista, Tyyneltämereltä ja Intian valtamereltä 50 vuoden ajalta ja laativat liuenneen hapen aika-sarjoja syvyydestä. Heidän analyysinsa paljasti tilastollisesti vahvan vähähappisen vesimäärän laajenemisen, trooppisen Atlantin OMZ:n kasvaessa noin 4,5 miljoonalla km² kyseisenä aikana. Hapen menetys trooppisella Atlantilla 300–700 metrin syvyydessä oli keskimäärin 0,36 μmol kg⁻¹ vuosikymmenessä – vaatimaton absoluuttisesti mutta vuosikymmenten ajan kumuloituessaan tuotti mitattavissa olevan yläoksikliinin (raja, jonka yläpuolella happi riittää useimmille eläimille) shoalingin. Fysiologisia ajureita ovat vähentynyt hapen liukoisuus lämpenevässä valtameressä (lämpimämpi vesi sitoo yksinkertaisesti vähemmän liuenneita kaasuja) ja lisääntynyt tiheyskerrostuneisuus, joka estää happipitoisen pintaveden sekoittumista alaspäin termokliiniin.

Rannikkovesien kuolleet alueet: Rehevöittymisen tarina

Vaikka OMZ:t ovat avomeren keskisyvyyden kiertokulun piirteitä, rannikon kuolleet alueet ovat selkeästi ihmisen aiheuttamia ilmiöitä, jotka johtuvat ravinnekuormituksesta. Kun joet, jotka ovat täynnä maatalouslannoitteita, jätevesipäästöjä ja fossiilisten polttoaineiden palamistuotteiden ilmakehän laskeumia, purkautuvat rannikkovesiin, ne ruokkivat fytoplanktonin räjähdysmäisiä kukoistuksia. Nämä kukoistukset lopulta kuolevat ja uppoavat, ja tämän valtavan orgaanisen aineksen määrän mikrobinen hajoaminen kuluttaa pohjaveden liuenneen hapen, luoden hypoksisia tai anoksisia olosuhteita – pohjaveden hypoksiaa – jotka jatkuvat viikkoja tai kuukausia kesäkerrostumisen aikana, kun lämpimämpi, vähemmän tiheä pintavesi peittää järjestelmän ja estää uudelleenhapettumisen ylhäältä.

Meksikonlahden hypoksinen vyöhyke

Meksikonlahden pohjoisosassa sijaitsee läntisen pallonpuoliskon suurin kuollut alue, jota ruokkii Mississippi-Atchafalaya-jokijärjestelmä, joka valuttaa 41 % Manner-Yhdysvalloista – 1,8 miljoonaa km² viljelysmaata. Joka kevät lumien sulaminen ja kevätsateet huuhtovat typpipitoista valumaa maissi- ja soijapellolta Mississippiin, joka kuljettaa vuosittain noin 1,5 miljoonaa tonnia typpeä lahdelle. Keskikesään mennessä seurauksena oleva hypoksinen vyöhyke kattaa tyypillisesti 13 000–15 000 km² Louisianan ja Texasin mannerjalustan pohjasta; vuonna 2017 se saavutti ennätykselliset 22 720 km². Diaz ja Rosenberg [2] totesivat, että Meksikonlahden kuollut alue on maailman parhaiten dokumentoituja, ja seuranta 1980-luvun puolivälistä lähtien on osoittanut suurta vuosien välistä vaihtelua (joen virtauksen aiheuttamaa), mutta ei pitkän aikavälin parannusta ravinnekuormituksessa valuma-alueelta.

Itämeri

Itämeren lähes suljettu vesiallas, matalat kynnykset, jotka rajoittavat vaihtoa Pohjanmeren kanssa, sekä raskaasti viljelty valuma-alue, joka kattaa yhdeksän valtiota, tekevät siitä maailman rehevöityneimmän suuren meren. Hypoksia Itämeren avovedessä ei ole kausiluonteinen vaan krooninen ilmiö: Itämeren syvissä altaissa on esiintynyt lähes pysyvää hapettomuutta ainakin 1900-luvun puolivälistä lähtien, ja hypoksinen ja euxinen (rikkipitoinen) alue on laajentunut merkittävästi. Conley et al. [4] dokumentoivat, että rannikon hypoksia – joka esiintyi saaristoissa ja lahdissa, jotka olivat aiemmin suojassa avoveden hapettomuudelta – oli levinnyt laajalle ja ennennäkemättömäksi Itämeren rannikolla 2000-luvun alussa. Krapf et al. [3] totesivat, että hypoksisten alueiden pinta-ala avoimella Itämerellä on viime vuosina ylittänyt 60 000 km², ja euxiset olosuhteet (täydellinen hapen puute rikkivetyä tuottaen) ovat kattaneet jopa 20 000 km². Meier et al. [5] dokumentoivat kiihtyneitä hapenkulutuslukemia, jotka vahvistavat deoksigenaatiota – mikä tarkoittaa, että vaikka ravinnekuormia vähennettäisiin, hapen palautuminen viivästyisi vuosikymmeniä.

Hapettomien vyöhykkeiden laajenemisen ajurit

Meren lämpeneminen ja kerrostuminen

Keskeisin syy OMZ:n laajenemiseen on meren lämpeneminen. Liuenneiden kaasujen liukoisuus vähenee lämpötilan noustessa: mitä lämpimämpi vesi on, sitä vähemmän happea se voi pidätellä kyllästyneinä. Kun merenpinta lämpenee, termokliiniin purkautuvan veden happipitoisuus laskee. Samanaikaisesti voimakkaampi lämpökerroksisuus vähentää happipitoisen pintaveden sekoittumista alaspäin ja OMZ-veden pystysuuntaista tuuletusta syvällä konvektiolla. Kwiatkowski et al. [7] ennustivat CMIP6-malleista, että maailman keskimääräinen liuennut happipitoisuus laskee noin 3,5 % vuoteen 2100 mennessä SSP5-8.5-skenaarion mukaan, suurimpien häviöiden tapahtuessa trooppisissa termokliinivesissä, joissa OMZ:t ovat jo intensiivisimmillään. Tämä vastaa hypoksisen veden tilavuuden laajenemista 200–600 metrin syvyydessä, mikä puristaisi entisestään keskisyvyyden ja ylemmän mesopelagisten organismien elinympäristöä.

Ravinnepäästöt ja leväkukinnat

Rannikkojärjestelmissä kuolleen vyöhykkeen laajenemisen pääasiallinen syy on rehevöityminen – veden liiallinen rikastuminen ravinteilla, ensisijaisesti reaktiivisella typellä (nitraatti, ammonium) ja fosforilla. Maailmanlaajuinen reaktiivisen typen tuotanto on kymmenkertaistunut vuoden 1900 jälkeen, johtuen Haber-Bosch-prosessista synteettisten lannoitteiden valmistuksessa ja fossiilisten polttoaineiden palamisesta (joka vapauttaa typpioksideja). Maatalouden valuma-alueet vievät paljon enemmän typpeä rannikkovesiin kuin esiteolliset järjestelmät, mikä aiheuttaa yhä tiheämpiä, intensiivisempiä ja maantieteellisesti laajempia hypoksisia tapahtumia. Diaz ja Rosenberg [2] totesivat, että rannikon kuolleiden alueiden määrä oli kasvanut eksponentiaalisesti vuosien 1960 ja 2008 välillä, alle 10 dokumentoidusta maailmanlaajuisesti yli 400:aan – kasvukäyrä korreloi suoraan synteettisten lannoitteiden tuotannon ja typpilaskeuman kanssa.

Hypoksian kynnysarvot: Mitä biologia sietää

Kanoninen ekologinen hypoksian kynnysarvo on 2,0 mg O₂ L⁻¹ (62,5 μmol kg⁻¹). Tämän pitoisuuden alapuolella useimmat pohjakalat (pohjalla elävät lajit, kuten turska, litteäkala ja meriahven) jättävät alueen tai, jos eivät pysty pakenemaan, kuolevat. Liikkuvat selkärangattomat – katkaravut, ravut, hummerit – yrittävät vaeltaa, mutta jäävät usein hypoksisen vyöhykkeen laajuuden loukkuun. Kiinnittyneet selkärangattomat – sienieläimet, simpukat, meritähdet – eivät voi paeta ja kuolevat paikoilleen, joskus näyttävissä joukkokuolemissa. Alle 0,5 mg L⁻¹ voi selviytyä vain tietyt erikoistuneet monisukasmadot ja anaerobiset bakteerit. Sweetman et al. [6] tarkastelivat vaikutuksia syvänmeren pohjayhteisöihin ja totesivat, että jopa alihappinen hypoksia – happipitoisuudet 2,0 ja 4,0 mg L⁻¹ välillä – vähentää pohjan selkärangattomien kasvunopeutta, lisääntymistuotantoa ja immuunitoimintaa, vaarantaen yhteisön sietokyvyn kauan ennen joukkokuolemien alkamista.

• Yli 4,0 mg L⁻¹: Normaali toiminta useimmille merieläimille. Vähimmäishappi useimmille koralliriutoilla eläville kalalajeille.
• 2,0–4,0 mg L⁻¹ (lievä hypoksia): Hitaampi kasvu, heikentynyt lisääntyminen ja immuunitoiminta. Monet kalat välttävät näitä syvyyksiä.
• Alle 2,0 mg L⁻¹ (hypoksia): Kalojen ja selkärangattomien joukkokuolemia; ekologisesti kuollut vyöhyke. Vakio kynnysarvo kuolleen vyöhykkeen julistamiselle.
• Alle 0,5 mg L⁻¹ (vakava hypoksia/anoksia): Makrofaunan virtuaalinen puuttuminen; rikkiä pelkistävien bakteerien mattoyhteisöt. Rikkivetylahkon tuotanto mahdollista täydellisessä anoksiassa.

Ekologiset seuraukset

Elinympäristön tihentyminen ja puristusvaikutus

Kun OMZ:t laajenevat ylöspäin (mataloituvat) kohti pintaa, kaupallisesti tärkeät ja ekologisesti merkittävät lajit – mukaan lukien keltaturska, atlantinmakrilli, mahi-mahi ja monenlaiset suuret kalmarit – puristuvat ohuempiin, hyvin happipitoisiin pintakerroksiin. Tämä 'elinympäristön puristus' on dokumentoitu empiirisesti tonnikalan elektronisten merkintätietojen avulla itäisellä trooppisella Tyynellämerellä, jossa OMZ rajoittaa sukelluskäyttäytymistä nykyään 100 metriin. Sukeltajille tämä puristusvaikutus voi luoda näyttäviä pelagisten megasaalisten kalakasoja lähellä pintaa – mutta nämä kasat viittaavat ekologiseen stressiin, eivät runsauteen. Ne lisäävät myös kalojen haavoittuvuutta pintasiimakalastukselle, mikä saattaa kiihdyttää jo stressaantuneiden kantojen ylikalastusta.

Bentosyhteisöjen romahtaminen ja elpyminen

Kuolleiden alueiden tapahtumat tuhoavat pohjayhteisöt täysin. Diaz ja Rosenberg [2] arvioivat, että kuolleet alueet tappavat vuosittain miljardeja pohjan selkärangattomia pelkästään Meksikonlahden hyllyalueella, ja suorat taloudelliset menetykset kaupallisille äyriäis- ja katkarapukalastuksille nousevat satoihin miljooniin dollareihin vuodessa. Bentoseläimistön elpyminen hypoksisen tapahtuman jälkeen riippuu tapahtuman voimakkuudesta, kestosta ja toukkien saatavuudesta ympäröiviltä happipitoisilta alueilta. Yhden kohtalaisen tapahtuman jälkeen elpyminen voi alkaa viikkojen kuluessa, kun happi palautuu ja liikkuvat organismit kolonisivat uudelleen reunoilta. Toistuvien tai pitkäaikaisten hapettomuusvaiheiden jälkeen – kuten Itämeren syvissä altaissa – elpyminen voi kestää vuosikymmeniä tai vuosisatoja, erityisesti jos sedimentti on muuttunut rikkipitoiseksi.

Kuolleet alueet ovat nyt vakava maailmanlaajuinen ympäristöongelma, joka on merkitykseltään verrattavissa biologisen monimuotoisuuden menetykseen ja ilmastonmuutokseen, ja jolla on kyky pohjimmiltaan muuttaa rannikko- ja valtameriekosysteemejä.

— Diaz & Rosenberg, Science, 2008 [2]

Mitä sukeltajat kohtaavat hapettomilla vyöhykkeillä ja kuolleilla alueilla

Urheilusukeltajat harvoin kohtaavat suoraan varsinaisia OMZ-vesiä, koska ne sijaitsevat tyypillisesti urheilusukellussyvyyksien alapuolella (yli 200 m). Ekologiset vaikutukset ovat kuitenkin näkyvissä ylemmässä vesipatsaassa: epätavalliset lähellä pintaa olevat kala- ja kalmarikasaumat ylöspäin nousevien OMZ-rajojen yläpuolella; tiettyjen pohjakoiden lajien ilmeinen niukkuus mannerrinteen rinteillä; diversiteetiltään rikkaan sienieläin- ja merililjayhteisöjen puuttuminen, jotka menestyvät siellä, missä happipitoinen vesi virtaa merenalaisia vuoriseinämiä pitkin. Matalilla rannikon kuolleilla alueilla sukeltajat, jotka uskaltautuvat kesäkerrostuneisiin Itämeren vuonoihin, Chesapeake Bayn läheisiin vesiin tai Meksikonlahden pohjoiseen hyllyalueelle, saattavat havaita tyypillisen rikkivedyn hajun syvyydessä – tuloksena sulfaattia pelkistävien bakteerien metaboliasta täysin hapettomissa pohjasedimenteissä. Näkyvyys romahtaa usein kuolleilla vyöhykkeillä, kun bakteerimatot ja hiukkasmainen orgaaninen aines lisäävät sameutta.

Politiikka, elpyminen ja pitkä tie takaisin

Itämeren HELCOMin Itämeren toimintasuunnitelmassa, joka hyväksyttiin vuonna 2007, vahvistettiin sitovat kansalliset ravinnekuormituksen vähennystavoitteet, ja se on saanut aikaan vaatimattomia typen kuormituksen vähennyksiä joistakin maista. Seuranta osoittaa pientä hapen paranemista muutamilla rannikkoasemilla, mutta avomeren hapettomuus Itämeren keskiosassa pysyy vakavana – koska järjestelmällä on usean vuosikymmenen viive ravinnekuormituksen vähentämisen ja hapen palautumisen välillä, mikä heijastaa sedimenttiin jo sitoutuneiden ravinteiden pitkää viipymisaikaa. Meksikonlahden kuollut alue ei kutistu merkittävästi ilman, että Mississippi-altaan maataloudesta peräisin olevia typpikuormia vähennetään merkittävästi – haaste, joka on kaatanut useita politiikkakehyksiä 1990-luvulta lähtien. IMO:n painolastivesimääräykset, MARPOLin liitteen V merituhkasäännökset ja uudet ravinnekaappausjärjestelmät vastaavat joihinkin paineisiin, mutta jättävät hallitsevan syyn – maatalouden valuman – suurelta osin sääntelemättä lähteeltä.

• Vähennä typen ja fosforin kuormitusta maataloudesta: Yksittäinen tehokkain toimenpide rannikon kuolleiden vyöhykkeiden torjuntaan. Vaatii parempaa ravinnehuoltoa, peitekasveja ja ranta-alueiden puskurivyöhykkeitä valuma-alueilla.
• Paranna jätevedenpuhdistusta: Toinen ja kolmas asteinen puhdistus vähentää dramaattisesti typen ja fosforin kuormitusta kaupunkialueilta.
• Palauta rannikon kosteikot: Mangrovemetsät, suolametsät ja meriruohoalueet sieppaavat maaperän ravinnevaluman ennen kuin se pääsee avomerelle.
• Hallinnoi kalastusta ravintoverkoston toiminnan ylläpitämiseksi: Ehjät petoyhteisöt voivat tukahduttaa levien liikakasvua ja ylläpitää happitasapainoa matalilla riutoilla.
• Vähennä kasvihuonekaasupäästöjä: Ainoa toimenpide, joka käsittelee OMZ-laajenemisen meren lämpenemiskomponenttia, on syvä hiilidioksidin vähentäminen.

Tulevaisuuden valtameri suurilla päästöillä

Sweetman et al. [6] ennustivat, että vuoteen 2100 mennessä jopa 70 % bathyal-vyöhykkeestä (200–3 000 m syvyydessä) – kylmävesikorallien, kalayhteisöjen merenvuorilla ja syvänmeren sukelluskohteiden alue – voi kokea merkittävää happikatoa suurten päästöjen skenaarioissa, mikä muuttaisi perusteellisesti syvänmeren yhteisöjä, jotka ovat pitkälti tuntemattomia tieteelle ja täysin tutkimattomia virkistyssukeltajille. Matalammissa järjestelmissä Kwiatkowski et al. [7] ennustavat hapen laskua trooppisissa termokliinivesissä kaikissa SSP-skenaarioissa, ja SSP5-8.5-skenaariossa menetykset ovat riittävän suuria aiheuttamaan OMZ:n ylärajojen pysyvän laajenemisen mesopelagiseen vyöhykkeeseen, jossa kaupalliset kalalajit ruokailevat. Sukelluskohteille, jotka perustuvat nousevan veden järjestelmien poikkeukselliseen tuottavuuteen – Galápagos, Socorro, Cocos Island, Mosambikin kanaali – OMZ:n mataloituminen on lisärasite lämpövaurioon, happamoitumiseen ja ylikalastukseen, mikä puristaa ekologista marginaalia, jossa nämä maailmanluokan sukellusekosysteemit tällä hetkellä toimivat.