Деоксигенация океана

Деоксигенация океана — это снижение содержания кислорода в различных частях океана в результате деятельности человека[2][3]. Она происходит в прибрежных зонах, где эвтрофикация, то есть процесс обогащения воды питательными веществами, приводит к быстрому снижению уровня кислорода до критических значений всего за несколько десятилетий и формированию так называемых «мёртвых зон». Деоксигенация океана происходит также в открытом океане, в результате чего естественные зоны с низким содержанием кислорода (так называемые «зоны кислородного минимума») медленно расширяются[4], чему способствует антропогенное изменение климата[5][6].

Потеря кислорода происходит из-за повышения температуры океанов[7]. Это связано с тем, что более высокие температуры способствуют более интенсивной стратификации океана. В результате морские организмы испытывают нехватку питательных веществ, что создаёт для них дополнительный стресс[8][9]. Так, деоксигенация океана представляет угрозу для морской флоры и фауны, а также для людей, чьё питание или средства к существованию зависят от морской флоры и фауны[10][11][12].

Общие сведения
Деоксигенация океана
Область использования Океанология

Терминология

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].

Типы

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 зоны

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].

Открытые и глубоководные зоны океана (зоны кислородного минимума)

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].

Роль изменения климата

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].

Горизонтальное расширение зон кислородного минимума

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].

undefined

Вертикальное расширение зон кислородного минимума

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].

Вариации во временной продолжительности

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].

Негативное воздействие

Продуктивность океана

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].

Морские организмы и биоразнообразие

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].

Влияние на рыболовство

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].

Примечания

  1. Breitburg, Denise; Levin, Lisa A.; Oschlies, Andreas; Grégoire, Marilaure; Chavez, Francisco P.; Conley, Daniel J.; Garçon, Véronique; Gilbert, Denis; Gutiérrez, Dimitri; Isensee, Kirsten; Jacinto, Gil S.; Limburg, Karin E.; Montes, Ivonne; Naqvi, S. W. A.; Pitcher, Grant C.; Rabalais, Nancy N.; Roman, Michael R.; Rose, Kenneth A.; Seibel, Brad A.; Telszewski, Maciej; Yasuhara, Moriaki; Zhang, Jing (2018). “Declining oxygen in the global ocean and coastal waters”. Science. 359 (6371): eaam7240. Bibcode:2018Sci...359M7240B. DOI:10.1126/science.aam7240. PMID 29301986. S2CID 206657115.
  2. 1 2 Laffoley, D. Ocean deoxygenation: everyone's problem / D Laffoley, JM Baxter. — Switzerland : Gland, 2019. — P. 562. — ISBN 978-2-8317-2013-5.
  3. Limburg, Karin E.; Breitburg, Denise; Swaney, Dennis P.; Jacinto, Gil (2020-01-24). “Ocean Deoxygenation: A Primer”. One Earth [англ.]. 2 (1): 24—29. Bibcode:2020OEart...2...24L. DOI:10.1016/j.oneear.2020.01.001. ISSN 2590-3330. S2CID 214348057.
  4. 1 2 Oschlies, Andreas; Brandt, Peter; Stramma, Lothar; Schmidtko, Sunke (2018). “Drivers and mechanisms of ocean deoxygenation”. Nature Geoscience [англ.]. 11 (7): 467—473. Bibcode:2018NatGe..11..467O. DOI:10.1038/s41561-018-0152-2. ISSN 1752-0894. S2CID 135112478.
  5. 1 2 Stramma, L; Johnson, GC; Printall, J; Mohrholz, V (2008). “Expanding Oxygen-Minimum Zones in the Tropical Oceans”. Science. 320 (5876): 655—658. Bibcode:2008Sci...320..655S. DOI:10.1126/science.1153847. PMID 18451300. S2CID 206510856.
  6. Mora, C; et al. (2013). “Biotic and Human Vulnerability to Projected Changes in Ocean Biogeochemistry over the 21st Century”. PLOS Biology. 11 (10): e1001682. DOI:10.1371/journal.pbio.1001682. PMC 3797030. PMID 24143135.
  7. Ученые заявили о глобальной угрозе из-за снижения уровня кислорода в воде, РБК. Архивировано 14 июля 2025 года. Дата обращения: 30 сентября 2025.
  8. Bednaršek, N., Harvey, C.J., Kaplan, I.C., Feely, R.A. and Možina, J. (2016) «Pteropods on the edge: Cumulative effects of ocean acidification, warming, and deoxygenation». Progress in Oceanography, 145: 1-24. doi:10.1016/j.pocean.2016.04.002
  9. Keeling, Ralph F., and Hernan E. Garcia (2002) «The change in oceanic O2 inventory associated with recent global warming.» Proceedings of the National Academy of Sciences, 99(12): 7848-7853. doi:10.1073/pnas.122154899
  10. 1 2 Environment. Oceans suffocating as huge dead zones quadruple since 1950, scientists warn (англ.), The Guardian (4 января 2018). Дата обращения: 4 июля 2023.
  11. 1 2 Long, Matthew C.; Deutsch, Curtis; Ito, Taka (2016). “Finding forced trends in oceanic oxygen”. Global Biogeochemical Cycles [англ.]. 30 (2): 381—397. Bibcode:2016GBioC..30..381L. DOI:10.1002/2015GB005310. ISSN 0886-6236. S2CID 130885459.
  12. 1 2 Pearce, Rosamund Guest post: How global warming is causing ocean oxygen levels to fall (англ.). Carbon Brief (15 июня 2018). Дата обращения: 4 июля 2023. Архивировано 22 июля 2025 года.
  13. Ocean Dead Zones Growing; May Be Linked to Warming. National Geographic News. Дата обращения: 1 мая 2008. Архивировано 23 июля 2011 года.
  14. Ocean ‘dead zones’ are spreading — and that spells disaster for fish. Архивировано 12 октября 2024 года.
  15. Тищенко Петр Павлович, Звалинский Владимир Иванович, Михайлик Татьяна Александровна, Тищенко Павел Яковлевич. Гипоксия залива Петра Великого // Известия ТИНРО (Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра). — 2021. — № 3.
  16. 1 2 3 Karstensen, J; Stramma, L; Visbeck, M (2008). “Oxygen minimum zones in the eastern tropical Atlantic and Pacific oceans” (PDF). Progress in Oceanography. 77 (4): 331—350. Bibcode:2008PrOce..77..331K. DOI:10.1016/j.pocean.2007.05.009.
  17. Deutsch, C.; Ferrel, A.; Seibel, B.; Portner, H.-O.; Huey, R. B. (2015-06-04). “Climate change tightens a metabolic constraint on marine habitats”. Science. 348 (6239): 1132—1135. Bibcode:2015Sci...348.1132D. DOI:10.1126/science.aaa1605. ISSN 0036-8075. PMID 26045435.
  18. Manahan, Stanley E. Environmental chemistry. — CRC Press, 2005. — ISBN 978-1-4987-7693-6.
  19. 1 2 Laffoley, D. & Baxter, J.M. (eds.) (2019). Ocean deoxygenation: Everyone’s problem — Causes, impacts, consequences and solutions. IUCN, Switzerland.
  20. 1 2 Breitburg, D; et al. (2018). “Declining oxygen in the global ocean and coastal waters”. Science. 359 (6371): eaam7240. Bibcode:2018Sci...359M7240B. DOI:10.1126/science.aam7240. PMID 29301986.
  21. Wishner, KF; Outram, DM; Seibel, BA; Daly, KL; Williams, RL (2013). “Zooplankton in the eastern tropical north Pacific: Boundary effects of oxygen minimum zone expansion”. Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 79: 122—144. Bibcode:2013DSRI...79..122W. DOI:10.1016/j.dsr.2013.05.012.
  22. Chan, F., Barth, J.A., Kroeker, K.J., Lubchenco, J. and Menge, B.A. (2019) «The dynamics and impact of ocean acidification and hypoxia». Oceanography, 32(3): 62-71. doi:10.5670/oceanog.2019.312. CC-BY icon.svg Material was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
  23. Gewin, V. (2010) «Oceanography: Dead in the water». Nature, 466(7308): 812. doi:10.1038/466812a.
  24. Whitney, FA; Freeland, HJ; Robert, M (2007). “Persistently declining oxygen levels in the interior waters of the eastern subarctic Pacific”. Progress in Oceanography. 75 (2): 179—199. Bibcode:2007PrOce..75..179W. DOI:10.1016/j.pocean.2007.08.007.
  25. Bertrand, A; Ballón, M; Chaigneau, A (2010). “Acoustic observation of living organisms reveals the upper limit of the oxygen minimum zone”. PLOS ONE. 5 (4): e0010330. Bibcode:2010PLoSO...510330B. DOI:10.1371/journal.pone.0010330. PMC 2862015. PMID 20442791.
  26. Prakash, S; Prakash, P; Ravichandran, M (2013). “Can oxycline depth be estimated using sea level anomaly (SLA) in the northern Indian Ocean?”. Remote Sensing Letters. 4 (11): 1097—1106. Bibcode:2013RSL.....4.1097P. DOI:10.1080/2150704X.2013.842284. S2CID 128973651.
  27. Baustian, MM; Rabalais, NN (2009). “Seasonal composition of benthic macroinfauna exposed to hypoxia in the northern Gulf of Mexico”. Estuaries and Coasts. 32 (5): 975—983. Bibcode:2009EstCo..32..975B. DOI:10.1007/s12237-009-9187-3. S2CID 85424157.
  28. Rabalais, NN; Turner, RE; Wiseman, WJ; Boesch, DF (1991). “A brief summary of hypoxia on the northern Gulf of Mexico continental shelf: 1985-1988”. Geological Society, London, Special Publications. 58 (1): 35—47. Bibcode:1991GSLSP..58...35R. DOI:10.1144/GSL.SP.1991.058.01.03. S2CID 128670326.
  29. Deutsch, C; Brix, H; Ito, T; Frenzel, H; Thompson, L (2011). “Climate-forced variability of ocean hypoxia”. Science. 333 (6040): 336—340. Bibcode:2011Sci...333..336D. DOI:10.1126/science.1202422. PMID 21659566. S2CID 11752699.
  30. Harvey, Fiona. Oceans losing oxygen at unprecedented rate, experts warn (англ.), The Guardian (7 декабря 2019). Дата обращения: 7 декабря 2019.
  31. Bopp, L; Resplandy, L; Orr, JC; Doney, SC; Dunne, JP; Gehlen, M; Halloran, P; Heinze, C; Ilyina, T; Seferian, R; Tjiputra, J (2013). “Multiple stressors of ocean ecosystems in the 21st century: projections with CMIP5 models”. Biogeosciences. 10 (10): 6625—6245. Bibcode:2013BGeo...10.6225B. DOI:10.5194/bg-10-6225-2013. HDL:11858/00-001M-0000-0014-6A3A-8.
  32. Schmidtko, S; Stramma, L; Visbeck, M (2017). “Decline in global oceanic oxygen content during the past five decades”. Nature. 542 (7641): 335—339. Bibcode:2017Natur.542..335S. DOI:10.1038/nature21399. PMID 28202958. S2CID 4404195.
  33. Ralph F. Keeling; Arne Kortzinger; Nicolas Gruber (2010). “Ocean Deoxygenation in a Warming World” (PDF). Annual Review of Marine Science. 2: 199—229. Bibcode:2010ARMS....2..199K. DOI:10.1146/annurev.marine.010908.163855. PMID 21141663. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-01.
  34. Ocean’s Oxygen Starts Running Low. Архивировано 13 апреля 2025 года.
  35. (25 September 2019). Press Release. Пресс-релиз.
  36. 1 2 Sperling, Erik A.; Frieder, Christina A.; Levin, Lisa A. (2016-04-27). “Biodiversity response to natural gradients of multiple stressors on continental margins”. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 283 (1829): 20160637. DOI:10.1098/rspb.2016.0637. ISSN 0962-8452. PMC 4855395. PMID 27122565.
  37. J., Frid, Christopher L. Marine Pollution.. — Oxford University Press, 2017. — ISBN 978-0-19-872629-6.
  38. 1 2 Breitburg, Denise; Levin, Lisa A.; Oschlies, Andreas; Grégoire, Marilaure; Chavez, Francisco P.; Conley, Daniel J.; Garçon, Véronique; Gilbert, Denis; Gutiérrez, Dimitri (2018-01-04). “Declining oxygen in the global ocean and coastal waters”. Science. 359 (6371): eaam7240. Bibcode:2018Sci...359M7240B. DOI:10.1126/science.aam7240. ISSN 0036-8075. PMID 29301986.
  39. Мельников Виктор Владимирович, Белокопытов Владимир Николаевич. Возможное влияние деоксигенации на структуру распределения и трофические связи холодноводных видов зоопланктона и рыб Черного моря // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2024. — № 5 (121). — doi:10.37313/1990-5378-2024-26-5-94-108.
  40. Stramma, L; Prince, ED; Schmidtko, S; Luo, J; Hoolihan, JP; Visbeck, M; Wallace, DWR; Brandt, P; Körtzinger, A (2012). “Expansion of oxygen minimum zones may reduce available habitat for tropical pelagic fishes” (PDF). Nature Climate Change. 2 (1): 33—37. Bibcode:2012NatCC...2...33S. DOI:10.1038/nclimate1304. HDL:10961/1538.
  41. Зуенко Юрий Иванович, Асеева Надежда Леонидовна, Матвеев Владимир Иванович. Батиметрическое распределение чёрного палтуса reinhardtius hippoglossoides в условиях деоксигенации промежуточного слоя охотского моря // Вопросы рыболовства. — 2021. — № 2.
  42. Kramer, DL (1987). “Dissolved oxygen and fish behavior”. Environmental Biology of Fishes. 18 (2): 81—92. Bibcode:1987EnvBF..18...81K. DOI:10.1007/BF00002597. S2CID 41805602.
  43. 1 2 de Mutsert, K; Steenbeek, J; Lewis, K; Buszowski, J; Cowan Jr., JH; Christensen, V (2016). “Exploring effects of hypoxia on fish and fisheries in the northern Gulf of Mexico using a dynamic spatially explicit ecosystem model”. Ecological Modelling. 331: 142—150. Bibcode:2016AGUOSAH43A..07D. DOI:10.1016/j.ecolmodel.2015.10.013.
  44. Maas, AE; Frazar, SL; Outram, DM; Seibel, BA; Wishner, KF (2014). “Fine-scale vertical distribution of macroplankton and micronekton in the Eastern Tropical North Pacific in association with an oxygen minimum zone”. Journal of Plankton Research. 36 (6): 1557—1575. DOI:10.1093/plankt/fbu077.
  45. Decker, MB; Breitburg, DL; Purcell, JE (2004). “Effects of low dissolved oxygen on zooplankton predation by the ctenophore Mnemiopsis leidyi”. Marine Ecology Progress Series. 280: 163—172. Bibcode:2004MEPS..280..163D. DOI:10.3354/meps280163.
  46. Grove, M; Breitburg, DL (2005). “Growth and reproduction of gelatinous zooplankton exposed to low dissolved oxygen”. Marine Ecology Progress Series. 301: 185—198. Bibcode:2005MEPS..301..185G. DOI:10.3354/meps301185.
  47. Thuesen, EV; Rutherford, LD; Brommer, PL (2005). “The role of aerobic metabolism and intragel oxygen in hypoxia tolerance of three ctenophores: Pleurobrachia bachei, Bolinopsis infundibulum and Mnemiopsis leidyi”. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom. 85 (3): 627—633. Bibcode:2005JMBUK..85..627T. DOI:10.1017/S0025315405011550. S2CID 42198365.

Литература

Ссылки

Дополнительно по теме