Sauerstoffverarmung im Ozean - IUCN-Bericht 2019

 

Sauerstoffmangel

Januar 2020

 
  fig. 2.1.6 Heringsfischsterben durch starken Sauerstoffmangel
Greenwich Bay, Rhode Island, USA (Atlantik)
   

Der Sauerstoffgehalt im Meer nimmt ab

Seit 1950 ist der durchschnittliche Sauerstoffgehalt der Weltmeere um 2 % gesunken, und die Zahl der eutrophierten (überdüngten) Küstengebiete mit daraus resultierendem Sauerstoffmangel hat sich mehr als verzehnfacht auf über 700 Gebiete.

Dies ist ein Ergebnis einer Studie der Weltnaturschutzorganisation (IUCN) von 2019: "Sauerstoffabnahme im Meer: Jedermanns Problem" (1) (2).


Verteilung des Sauerstoffs im Meer

a) physikalischer Eintrag

Die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser beträgt grob 10 mg/l, dies ist jedoch stark abhängig von der Temperatur und dem Salzgehalt.
Durch Wind- und Wellenbewegung wird die Meeresoberfläche einigermaßen mit Sauerstoff gesättigt. Sie enthält in Polnähe rund 12 mg/l, in Äquatornähe rund 7 mg/l Sauerstoff. Der biologische Eintrag (siehe nächstes Kapitel) spielt statistisch nur eine untergeordnete Rolle.
Thermohaline
(3) Strömungen, wie z. B. der Golfstrom, wälzen das Wasser in den Ozeanen um: Warmes Oberflächenwasser, das in höhere Breitengrade gerät (hauptsächlich Nordatlantik und die antarktisnahen südlichen Breitengrade von Pazifik und Atlantik), sinkt auf den Meeresboden ab und wird als kalte Strömung wieder in Richtung Äquator transportiert. 
Siehe Abbildung unten.
Des weiteren treibt der äquatornahe Passatwind das Oberflächenwasser nach Westen, das in gemäßigten Breiten, immer noch an der Oberfläche, zurückfließt. Ein zweiter Rückstrom ist die äquatoriale Unterströmung.
Die im Windschatten des Passats liegenden Bereiche, also insbesondere die äquatornahen Westküsten von Amerika und Afrika, sowie weitere wenig durchströmte Meeresteile wie z. B. das Mittelmeer oder die Labradorsee, nennt man "Schattenzonen".

box-fig. 2.1.1                                            Die wichtigsten Ozeanströmungen
orange: Subtropische Kreisströmungen; EUC Äquatoriale Unterströmung
dunkelblau/rot: Thermohaline (Temperatur-Salzgehalt-getriebene) Strömungen
hellblau: kalte antarktische Kreisströmung
schwarze Pfeile: "Schattenzonen"; weitere Erläuterungen siehe Text
 


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b) Biologischer Eintrag und Verbrauch

Im oberen lichtdurchstrahlten Bereich (Schwerpunkt obere 100 m) erzeugen Phytoplankton und mehrzellige Pflanzen Sauerstoff durch Photosynthese. Die Pflanzen und ihre Überreste, die im offenen Meer absinken können, dienen Zooplankton und höheren Tieren zur Nahrung, die wiederum durch Atmung Sauerstoff verbrauchen. Durch die im Dunkel der Tiefe abnehmende Photosynthese bei gleichzeitiger Atmung bildet sich daher typischerweise in wenigen 100 m Tiefe ein Sauerstoffminimum.
Für die meisten Lebewesen sind 8-4 mg/l der Normalbereich, unterhalb von 2 mg/l können die meisten Fische nicht mehr dauerhaft leben (Begriff "Sauerstoffmangelzone"), unterhalb von 0,5 mg/l setzen verstärkt andere biochemische Prozesse ein, wie die Gewinnung von Sauerstoff aus Nitrat, Sulfat oder Carbonverbindungen unter Bildung von Stickstoff, Distickstoffoxid (Lachgas N2O, ein Klimagas), Schwefelwasserstoff (H2S) oder Methan (CH4, ebenfalls ein Klimagas) (Begriff "Sauerstofffreie Zone") (4).



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fig. 8.1.2                                              Nördlicher Pazifik
                Tiefenabhängiger Sauerstoffgehalt auf einer Linie von Süden nach Norden
Messlinie siehe eingeblendete Karte
Tiefe in Meter, Sauerstoff in Mikromol/kg
 

400-80 Mikromol/kg (rot bis hellblau): genügend Sauerstoff
80-20 Mikromol/kg (dunkelblau): "Sauerstoffmangelzone"
20-0 Mikromol/kg (violett): "Sauerstofffreie Zone"
  fig. 2.3.8           Golf von Bengalen
          Tiefenabhängiger Sauerstoffgehalt
schwarz: gemessen 1963, rot: gemessen 2007 
Tiefe in Meter, Sauerstoff in Mikromol/kg
     


Sauerstoff-Tiefenprofile

Der Pazifik ist schlechter mit Sauerstoff versorgt als der Atlantik, da er nur von Süden mit sauerstoffreichem Tiefenwasser versorgt wird. Die Abbildung links oben zeigt ein Tiefenprofil bis 1000 m etwa vom Äquator bis an das nördliche Ufer. Man erkennt eine Sauerstoffmangelzone von (mindestens) 1000 m Tiefe bis teilweise 150 m unter der Oberfläche. Die Sauerstoffmangelzone begrenzt den Lebensraum der meisten Hochseefische.
Die Abbildung rechts oben zeigt das Tiefenprofil an einem Punkt im Golf von Bengalen, zwischen Indien und Thailand. Auch dies ist ein schlecht durchströmtes Meeresgebiet. Die "Lebenszone" ist nur rund 100 m tief und geht scharf in eine "sauerstofffreie Zone" über. Die Graphik zeigt gleichzeitig den Trend innerhalb von 50 Jahren: Der schon sehr niedrige Sauerstoffgehalt im Bereich von 100-500 m hat weiter abgenommen.  

   
    fig. 2.3.2                                         Minimale Sauerstoffkonzentration
Die Höhe des Minimums ist unterschiedlich; im nördlichen Indischen Ozean z. B.zwischen 150 und 800 m
Sauerstoffkonzentration in Mikromol/kg; Sauerstoffmangelzone ab etwa 75 Mikromol/kg (siehe Kennzeichnungen)
   
    fig. 2.4.3                                        Sauerstoffgehalt in 200 m Tiefe
                              mit Kennzeichnung der vier wichtigsten Küstenauftriebsgebiete
Sauerstoffkonzentration in Mikromol/kg; Sauerstoffmangelzone gelb bis rot

Die globale Ausprägung der soweit vorhandenen Sauerstoffminimumzone zeigt die Weltkarte rechts. In Tiefen zwischen meist 100-1000 Metern (nicht angegeben) gibt es solche Zonen im gesamten nördlichen Pazifik inklusive des Indischen Ozeans und im äquatornahen Bereich des Atlantiks. In den schlecht mit sauerstoffreichem Tiefenwasser durchströmten Zonen (alle Westküsten, nördlicher Pazifik, nördlicher Indischer Ozean) sind Sauerstoffmangelzonen durchgehend vorhanden.

Die Karte rechts unten zeigt denselben Sachverhalt in anderer Darstellung. Hier ist der Sauerstoffgehalt in 200 Meter Tiefe dargestellt, also relativ nah an der Oberfläche.
So werden die "Schattenzonen" sichtbar, die kein sauerstoffreiches Wasser durch die passatgetriebenen Oberflächenströmungen erhalten, andererseits jedoch nährstoffreiches, aber sauerstoffarmes Wasser aus der tiefergelegenen Sauerstoffminimumzone erhalten, das dort nach oben strömt. Diese Küstenauftriebsgebiete tragen bei nur 1 % der Meeresfläche zu rund einem Fünftel des kommerziellen Fischfangs bei. Die Balance zwischen vielen Nährstoffen und teilweise wenig Sauerstoff kann jedoch instabil werden.
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Trend des Sauerstoffgehaltes im offenen Meer

Die Graphik links unten zeigt ein 1000-m-Tiefenprofil im tropischen Atlantik. Man erkennt deutlich die Sauerstoffminimumzone mit dem Minimum auf etwa 500 m Tiefe. Eine für das Überleben der meisten Fische relevante Sauerstoffmangelzone (< 80 Mikromol/kg, Blautöne) hat sich im Lauf der Zeit deutlich verstärkt. Die Zahlengraphik rechts daneben zeigt eine Sauerstoffabnahme in 60 Jahren um etwa 25 %, also etwa vier Prozent pro Dekade.
Die Weltkarte rechts unten bezieht sich auf die jeweils gesamte Meerestiefe und stellt Änderungen zwischen 0 und etwa 3 % pro Dekade fest.
Der globale Mittelwert wird mit etwa 2 % Sauerstoffabnahme seit 1960 oder rund 0,4 % pro Dekade angegeben.
Davon sollen Dreiviertel einer Tiefe von mehr als 1200 m zuzuordnen sein, was mit einer Verringerung der Tiefenzirkulation zu erklären ist. 

 
  fig. 2.1.7                  Sauerstoffgehalt vs. Zeit im östlichen tropischen Atlantik
Position etwa 12 Grad Nord / 25 Grad Ost
links: Sauerstoffgehalt von Null bis 1000 m Tiefe vs. Zeit; rechts: Durchschnittlicher Sauerstoffgehalt vs. Zeit
fig. 2.1.1 B     Änderung des Sauerstoffgehaltes
gelöster Sauerstoff über gesamte Meerestiefe in % pro Dekade
Zeitraum 1960-2010
     





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Was sind die Gründe für diese Sauerstoffabnahme?
Etwa ein Drittel kann direkt physikalisch erklärt werden durch die Zunahme der Meerestemperatur (besonders des Oberflächenwassers), denn damit sinkt die Löslichkeit des Sauerstoffs.
Ein zweiter Effekt ist die erhöhte Stratifizierung (Schichtenbildung). Das wärmere und damit spezifisch leichtere Oberflächenwasser neigt weniger zur Durchmischung. Das reduziert den Oberflächeneintrag des Sauerstoffs, aber auch die thermohalinen (Tiefen-) Strömungen nehmen ab. So wird z. B. der Golfstrom schwächer, da sowohl das nach Norden strömende warme Wasser wärmer wird, als auch der Bereich in Polnähe: Der Energieantrieb für die "thermohaline Pumpe" sinkt.
Ein dritter Effekt ist die Erhöhung biologischer Umsätze durch die höhere Wassertemperatur, durch die CO2-Düngung und durch die Stickstoffdüngung (siehe weiter unten). Dies führt nahe der Oberfläche zu einer erhöhten pflanzlichen Produktion und damit auch zu verstärktem tierischen Wachstum und mehr Biomasse, was den Sauerstoffverbrauch durch Atmung steigert und durch die absinkende Biomasse weiter unten die Sauerstoffmangelzonen ausweitet.


Prognosen

Globale Modelle sind sehr ungenau und sagen eine weitere Senkung von 1-7 % bis 2100 voraus, mit den Ursachen geringere Löslichkeit / geringere Durchmischung / höherer biologischer Umsatz durch Temperatur und Überdüngung.
Lokal kann die Reduzierung erheblich höher ausfallen, insbesondere bei den für den Fischfang so wichtigen Küstenauftriebsgebieten bis zu 4 % pro Dekade. Generell sind die Grenzen zu Sauerstoffmangelzonen funktionell stärker betroffen.   


Eutrophierung und Sauerstoffmangel in Küstennähe

Durch zunehmenden Düngemittel- und sonstigen Nährstoffeintrag, meist durch Flussmündungen, aber auch in schwach durchströmten Gebieten mit hohem Aquakultur-Volumen (Fische, Krebse, Muscheln u.ä.), können Binnenmeere oder Buchten, aber auch offene Küstenbereiche, eutrophieren, d. h. die verstärkt wachsenden Algen nehmen sich erstens gegenseitig das Licht weg und erzeugen zweitens soviel tote Biomasse, dass deren Verstoffwechselung den Sauerstoffgehalt aufbrauchen kann. In manchen Fällen sind Algenblüten, d. h. flächenartige Teppiche von Algen an der Oberfläche, deutlich erkennbare Anzeiger.
Die Karte links unten zeigt die globale Verteilung dieser Zonen. Die meisten liegen in Bereichen mit intensiver Landwirtschaft und/oder intensiver Aquakultur (USA, Europa, Südostasien).
1960 waren 50 küstennahe Sauerstoffmangel-Gebiete bekannt, 2010 wurden weltweit über 700 eutrophierte Gebiete gezählt, davon über 500 mit Sauerstoffmangel. 2019 waren bereits 900/700 Gebiete identifiziert. Ein Anstieg in 50 Jahren auf mehr als das Zehnfache.
Stickstoff (N) und Phosphor sind die hauptsächlichen auslösenden Elemente. Nach Erfindung der chemischen Gewinnung von Stickstoffverbindungen aus der Luft (Haber-Bosch-Verfahren 1908) stieg die mineralische Düngung weltweit etwa seit den 1950er-Jahren dramatisch an, auf eine Stickstoffproduktion heute von rund 120 Mio. Tonnen N/Jahr. Die Karte rechts unten zeigt den Eintrag. Abzulesen ist, dass jährlich auch rund 1-3 kg N/Hektar über dem Meer anfallen, dies geschieht durch NOx-haltige Aerosole in der Luft. Der anthropogene Stickstoffeintrag heute wird auf das zwei- bis dreifache des natürlichen Eintrags geschätzt.

fig. 2.2.2   Eutrophierte und Sauerstoffmangel-Gebiete in Küstennähe
gelb: Eutrophie; rot: Sauerstoffmangel; grün: In Erholung
Stand 2010
fig. 2.5.2                        Globale Stickstoff-Ablagerung
in kg N / Hektar * Jahr
geschätzt aus weltweitem Stickstoffeintrag (N aus NOx und NHy) 105 Mio T N/a; Stand 2008

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Beispiele

 
  Box fig. 2.2.1.1 B     Ostsee mit sauerstoffverarmten Zonen   Herbst 2017
hellgrau: Sauerstoffmangel-Zone (< 2 ml/l); schwarz: "Sauerstofffreie Zone" (0 ml/l, H2S vorhanden)
 
  Box fig. 2.2.1.2                 Volumen der sauerstoffverarmten Zonen in der Ostsee 1960-2017
hellblau: Sauerstoffmangel-Zone (< 2 ml/l); dunkelblau: "Sauerstofffreie Zone" (0 ml/l, H2S vorhanden)
Farbbalken: In Kubikkilometer (linke Achse); Linien: In Prozent (rechte Achse)
   

Schwarzes Meer
Das Schwarze Meer ist als reines Binnenmeer ein Sonderfall. Es ist durchschnittlich 1200 m tief und unten völlig sauerstofffrei. 1950 lag die Grenze zur Sauerstoffmangel-Zone bei 140 m Tiefe, 2010 bei ca. 70 m. Es wird regelmäßig Methan emittiert.

Ostsee

Die Ostsee war bereits seit der Eiszeit fast ein Binnenmeer. Deshalb ist der Salzgehalt im unteren Bereich nur etwa 1,8 %. Die zuströmenden Flüsse bringen Süßwasser, was dazu führt, dass der obere Bereich noch weniger Salz enthält, rund 0,7 %. Die Schichten durchmischen sich kaum, ihre Grenze liegt zwischen 40 und 80 m Tiefe.
Wegen dieser geographischen Situation - kaum Sauerstoffeintrag durch Tiefenströmungen oder Verbindung mit dem offenen Meer -
lässt sich Sauerstoffmangel am Boden schon vor tausenden Jahren nachweisen.
Durch den Nährstoffeintrag über die Flüsse hat sich die Situation jedoch erheblich verschärft. Die Graphiken rechts zeigen die Lage heute: Rund 30 % des Ostseevolumens, entsprechend 3000 Kubikkilometer,oder 100 000 Quadratkilometer Bodenfläche (nicht gezeigt) sind nicht mehr als Fischhabitat geeignet. Die Null-Sauerstoff-Zone ist von durchschnittlich etwa 3 % (1960-1995) auf durchschnittlich etwa 12 % (2000-2017) gestiegen. Dort gibt es z. B. trotz vorhandener Nährstoffe keine wirbellosen Bodenbewohner (Zoo-Benthos), der Boden ist "tot".
Die Fischfangausbeute (rund 40-50 Millionen Tonnen / Jahr Kabeljau, Atlantischer Hering und Sprotte) hat sich zwischen 1950 und 2007 nicht signifikant verändert. Offenbar macht bisher das erhöhte Nahrungsangebot die Verringerung des Habitat-Volumens wett.
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Mississippimündung / Golf von Mexiko
Die weltweit zweitgrößte küstennahe Sauerstoffmangelzone liegt in der Nähe der Mississipimündung. Sie begann sich in den 1950ern zu bilden, und erreichte 2017 ein bisheriges Maximum von 23 000 Quadratkilometern. Sie tritt allerdings nur saisonal im Frühjahr/Sommer auf. Siehe Abbildungen unten.

fig. 8.7.7   Häufigkeit des Sauerstoffmangels im Golf von Mexiko
                              westlich der Mississippi-Mündung
Der Sauerstoffmangel tritt saisonal auf (Frühjahr bis Sommer); Wassertiefe < 50 m
Zeitraum 1985-2014; rot: 100-75%; hellrot 75-50% usw.
fig. 3.2.9                                Mississippi-Delta

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Offener Pazifik / Blauflossenthunfisch

 
  fig. 8.2.13 A/B                                Reviertiefe des pazifischen Blauflossen-Thunfischs (Thunnus orientalis)
P50: Tiefe mit einem Sauerstoffgehalt, mit dem der Thunfisch sein Blut zu 50 % sättigen kann; dient als Näherung für untere Habitatgrenze
Schraffur: Gebiet des Vorkommens

links: Jahr 2000 - Tiefenangabe von P50 (m)                                               rechts: Jahr 2100 - Änderung der Tiefe von P50 (m)           
   

Jede Fischart hat eine Sauerstoff-Untergrenze, die ihr Habitat nach unten begrenzt, sofern sich dort eine Sauerstoffminimum-Zone befindet. Die Abbildung zeigt das Beispiel eines im offenen Meer lebenden (kommerziell genutzten) Fisches, des pazifischen Blauflossen-Thunfischs. Er kommt nur im nördlichen Pazifik vor und kann sich dort in Tiefen oberhalb von rund 200-700 m aufhalten. Eine Prognose für das Jahr 2100 schätzt eine Verringerung dieser Tiefe um etwa 40-80 m. Das Habitat wird also deutlich kleiner.
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Quellenangaben und Anmerkungen
(1) D. Laffoley, J. M. Baxter, (eds.), "Ocean deoxygenation: Everyone’s problem - Causes, impacts, consequences and solutions", IUCN, Gland / Schweiz, 2019 (full report)
Internet: IUCN Marine and Polar, dort unter "Publications"
(2) Bei den Abbildungen ist zur leichteren Referenz jeweils die Original-Kapitelnummer angegeben. Die im Original englischen Unterschriften wurden teilweise verkürzt ins Deutsche übertragen.
(3) Thermohaline Strömung: Strömung, die von Wärmeunterschieden und Unterschieden im Salzgehalt angetrieben wird. Beides beeinflusst die Dichte des Wassers. Beispiel Golfstrom: Warmes Wasser strömt an der europäischen Küste nach Norden und wird durch Verdunstung salzhaltiger sowie kälter. Auf der Höhe von Grönland ist es es schwerer als das etwas wärmere Tiefenwasser und sinkt deshalb ab.
(4) Für die Bereiche "Sättigung", "Sauerstoffmangel", "kein Sauerstoff" lauten die grob näherungsweisen Zahlen 8 mg/l, 2 mg/l, 0,5 mg/l.
In wissenschaftlichen Veröffentlichungen ebenso verbreitet ist die Konzentrationsangabe in Mikromol Sauerstoff / kg Wasser. Dafür lauten die Zahlen, ebenfalls grob näherungsweise: 300 Mikromol/kg, 80 Mikromol/kg, 20 Mikromol/kg.