Деоксигенация океана

Международные научные организации все чаще используют термин «деоксигенация океана», чтобы описать процесс уменьшения количества кислорода в Мировом океане^[2]. Океанологи и другие специалисты обсуждали, какое выражение лучше всего передаст суть этого явления для людей, не являющихся специалистами в данной области. Среди рассматриваемых вариантов были такие как «удушье океана», «деоксигенация моря», «истощение кислорода в океане» и «гипоксия океана»^[13].

Существует два типа деоксигенации океана, которые происходят в различных зонах и имеют разные причины: снижение содержания кислорода в прибрежных зонах и снижение содержания кислорода а также в глубоководных зонах океана (зонах кислородного минимума). Данные явления взаимосвязаны, но различаются по своим характеристикам^[4].

Прибрежные регионы страдают от дезоксигенации воды, вызванной эвтрофикацией. Избыток питательных веществ — в основном азота из сельскохозяйственных удобрений, сточных вод и промышленных выбросов — попадает в моря через речные стоки. Увеличение питательных веществ провоцирует повышенное образование органического материала, который опускается на дно и потребляет огромное количество кислорода. В результате образуются «мёртвые зоны» с критически низким уровнем кислорода, где гибнут медлительные донные существа, например, моллюски, омары и устрицы^[14][15].

В открытом океане существуют естественные области с низким содержанием кислорода, которые постепенно увеличиваются в размерах. Данные зоны кислородного минимума обычно располагаются на средних глубинах океана — от 100 до 1000 метров. Они формируются естественным образом в результате процесса дыхания органических веществ, оседающих в поверхностных слоях океана. Однако, по мере уменьшения содержания кислорода в океане, зоны кислородного минимума расширяются как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях^[5]. В таких зонах циркуляция воды происходит медленно, что помогает легко зафиксировать даже незначительные изменения в концентрации кислорода, такие как снижение на 1-2 %. Подобное снижение не делает зоны непригодными для жизни рыб и других морских организмов, однако в долгосрочной перспективе может, особенно в Тихом и Индийском океанах^[16].

Кислород поступает в океан в результате процессов фотосинтеза фитопланктона и смешивания с атмосферой. Микроорганизмы и многоклеточные организмы используют кислород для дыхания на всех уровнях океана, поэтому, когда кислорода с поверхности поступает меньше, чем его расходуется в глубине, то происходит потеря кислорода^[16].

Зоны кислородного минимума возникают естественным образом, однако их состояние может ухудшаться под влиянием антропогенных факторов, таких как изменение климата и загрязнение суши, вызванное сельскохозяйственной деятельностью и сбросом сточных вод^[17]. Согласно прогнозам современных климатических моделей и сценариев, в верхних слоях океана ожидается значительное потепление и снижение содержания кислорода. Глобальное потепление приводит к повышению температуры океана, особенно в мелководных прибрежных районах. Когда вода нагревается, она теряет способность удерживать кислород, что приводит к снижению его концентрации в воде и усугубляет последствия эвтрофикации в прибрежных зонах^[18].

Разложение газовых гидратов в глубоководных слоях может привести к высвобождению метана из отложений и последующему потреблению кислорода в процессе аэробного окисления метана до углекислого газа. Другим последствием изменения климата для океанов, вызывающим их деоксигенацию, являются изменения в циркуляции. По мере потепления океана наблюдается усиление стратификации, что замедляет океаническую циркуляцию и способствует деоксигенации океана^[19].

В некоторых областях открытого океана содержание кислорода в воде может быть низким из-за естественных процессов, поскольку там происходит активное потребление кислорода живыми организмами, и его поступление извне не может компенсировать потери. Такие области называют зонами кислородного минимума. Существует множество различных систем открытого океана, в которых наблюдаются такие естественные условия низкого содержания кислорода, например зоны апвеллинга^[20].

Размеры зон кислородного минимума может значительно варьироваться. В прибрежных водах их площадь может составлять от менее одного до нескольких тысяч квадратных километров^[20]. Зона кислородного минимума существуют во всех океанических бассейнах и имеют примерно одинаковый размер. По оценкам, 8 % мирового океана находится в таких зонах. Самая большая зона кислородного минимума находится в восточной тропической части северной части Тихого океана и занимает 41 % от общего объёма. Самая маленькая зона находится в восточной тропической части северной части Атлантического океана и занимает всего 5 % от общего объёма^[21][16].

Глубина зон кислородного минимума также может различаться. Обычно они располагаются на глубине от 200 до 1000 метров^[24].

Верхняя граница зоны кислородного минимума, известная как оксиклин, характеризуется резким и быстрым увеличением концентрации кислорода^[25]. Глубина оксиклина варьируется в зависимости от конкретной области и в основном зависит от физических процессов, таких как воздушные и морские течения, а также от вертикального перемещения в толще термоклина^[26].

Нижняя граница зоны кислородного минимума связана с уменьшением потребления кислорода живыми организмами, поскольку большая часть органических веществ потребляется и расходуется в верхних 1000 метрах водной толщи. В более мелких прибрежных системах вода с низким содержанием кислорода может достигать дна, что негативно сказывается на сообществах донных организмов^[27].

Продолжительность кислородного голодания может меняться в зависимости от сезона, года или даже нескольких десятилетий. В прибрежных системах, таких как Мексиканский залив, гипоксические условия обычно связаны с речными стоками, стратификацией водных масс, воздействием ветра и циркуляционными моделями на континентальном шельфе^[28]. Таким образом, существуют сезонные и годовые закономерности в возникновении, продолжительности и прекращении интенсивных гипоксических условий. Концентрация кислорода в открытом океане и на границе между прибрежными районами и открытым океаном может варьироваться по интенсивности, пространственному охвату и временной продолжительности в зависимости от многолетних колебаний климата^[29].

Деоксигенация океана может оказывает влияние на его продуктивность, круговорот питательных веществ, круговорот углерода и на морские экосистемы^[30][19]. Исследования показывают, что с середины XX века океаны уже потеряли 1-2 % кислорода^[31][32]. Моделирование предполагает, что в течение следующих ста лет содержание кислорода в мировом океане снизится на 7 %. Ожидается, что данный процесс будет продолжаться в течение тысячи лет и более^[33].

Деоксигенация океана приводит к расширению зон кислородного минимума, что связано с нарушением баланса между источниками и поглотителями кислорода в растворённом виде. Такие изменения происходят стремительно и представляют опасность для рыб и других морских обитателей, а также для людей, чья жизнь и средства к существованию зависят от морской фауны^{[10][34][11][12]}.

Изменения в химическом составе океана нарушают жизнеспособность видов во всей пищевой цепи океана. По мере того как океан нагревается, происходит уменьшение перемешивания водных слоёв, что приводит к тому, что морские организмы получают меньше кислорода и питательных веществ^[35].

Краткосрочные последствия деоксигенации океана включают проблемы с репродуктивной функцией, замедление роста и увеличение количества больных особей, гибель организмов, сокращение ареала^[36][37][38].

Долгосрочные последствия наблюдаются в биоразнообразии и структуре пищевой цепи. Изменение среды обитания многих организмов приводит к трансформации отношений между хищниками и добычей. Например, когда хищники и их жертвы вынуждены сосуществовать на небольшой территории с высоким содержанием кислорода, частота их встреч увеличится, что приведёт к росту хищничества и, возможно, окажет давление на популяцию добычи. Также ожидается, что разнообразие экосистем в целом уменьшится из-за снижения уровня кислорода^[36][38][39].

Поведение рыб в условиях деоксигенации океана зависит от их способности переносить низкое содержание кислорода^[40][41]:

• Виды с низкой толерантностью к аноксии обычно сокращают ареал в ответ на расширение зоны кислородного минимума и перемещаются ближе к поверхности океана, где концентрация кислорода обычно выше. Биологические реакции на сокращение ареала могут быть разными. Например, крупные хищники, например, парусник, стали даже лучше расти^[42].
• Виды с высокой толерантностью к аноксии, например, гигантский кальмар, могут сохранять активность в таких условиях на низком уровне, что позволяет им увеличить шансы на выживание, поскольку они могут избежать нападения хищников, которые не способны жить в таких условиях, и получить доступ к ресурсам, которые недоступны их конкурентам, также неспособных жить без кислорода^[43][44].

Взаимосвязь между зоопланктоном и зонами кислородного минимума зависит от вида и стадии развития организмов. Некоторые виды желетелого зоопланктона замедляют рост при недостатке кислорода, в то время как другие используют такие условия для поиска пищи в местах с высокой концентрацией добычи, при этом их скорость роста не меняется. Некоторые виды могут переносить гипоксию благодаря способности накапливать кислород во внутренних частях своего тела. Перемещение зоопланктона, вызванные снижением уровня кислорода в океане, могут оказать значительное воздействие на рыболовство, глобальный круговорот азота и пищевые цепочки. Подобные изменения могут привести к серьёзным экономическим и экологическим проблемам, таким как чрезмерный вылов рыбы и разрушение пищевых цепочек^{[45][43][46][47]}.