Когда океан отдает кислород

Кислород в мировом океане

Содержание кислорода в разных зонах мирового океана неодинаково. Его распределение в толще имеет определенные закономерности и оказывает значительное влияние на распределение рыб.

На первый взгляд может показаться, что толща мирового океана, занимающего около 70% поверхности нашей планеты, однородна, однако это далеко не так! Океанические воды различаются по множеству параметров, важнейшими из которых являются соленость и температура, так как именно они определяют плотность водных масс. Имеющиеся различия в плотности воды приводят к своеобразному «расслоению» океана — появлению в его толще хорошо обособленных водных горизонтов.

По Степанову (книга «Мировой океан: динамика и свойства вод», 1974) в вертикальной структуре толщи мирового океана выражены 4 слоя, называемых также зонами:

Границы между этими слоями размыты в различной степени и фактически представляют собой переходные слои, где происходит иногда интенсивное, а иногда и не очень, взаимодействие водных масс соседних структурных зон. Наиболее четко подобная граница выражена между поверхностной и промежуточной структурными зонами, границы между зонами, лежащими ниже, определяются сложнее.

Толщина структурных зон в разных частях океана разная.

Нижняя граница поверхностной структурной зоны отмечается в большинстве случаев на глубине 200-300 м, местами до 400 м; промежуточной — на глубине от 800 до 1800 м; глубинной — около 3000-4000 м. Придонная зона располагается от нижней границы глубинной зоны до дна океана.

Какое отношение это имеет к рыбам? Самое непосредственное, ведь в мировом океане по разным оценкам обитает около 16000 видов рыб. Глобально их распределение здесь связано в первую очередь с количеством растворенного в воде кислорода, содержание которого в океанской толще не равномерно. Оно варьирует от слоя к слою и зависит от целого ряда факторов.

Путей попадания кислорода в воду по большому счету всего лишь два: во-первых, кислород производят фотосинтезирующие водоросли (в первую очередь фитопланктон), во-вторых, кислород активно растворяется в воде при взаимодействии с атмосферой.

Указанные процессы происходят лишь в самом верхнем слое воды (глубина фотической зоны – слоя, куда свет проникает в количестве, необходимом для обеспечения фотосинтеза, — совсем небольшая – лишь в Саргассовом море она составляет 150-200 м, в остальных же морях, как правило, менее 40-50 м), из чего следует, что весь растворенный в океане кислород берется из поверхностной структурной зоны.

На самих же полюсах происходят без сомнения наиболее важные в «жизни» океана процессы, влияющие на всю глобальную структуру и состав его вод. Холодные (и потому более плотные, а значит и более тяжелые) полярные водные массы, богатые кислородом, опускаются ко дну океана, а на их место приходят более теплые водные массы умеренных широт, где в свою очередь также охлаждаются и опускаются ко дну. Сформировавшиеся таким образом циркуляционные ячейки обеспечивают доставку растворенного кислорода в глубокие океанические горизонты, причем, чем глубже горизонт, тем сильнее на него влияние полярных вод .

Наиболее выражен подобный «язык затекания» полярных водных масс в Северной Атлантике, где с увеличением глубины количество кислорода изменяет незначительно – от 7,0-7,5 мл/л в промежуточной структурной зоне до 6,5-7,0 мл/л в придонной структурной зоне. Подобная ситуация наблюдается и в южных частях Атлантического, Индийского и Тихого океанов.

Как далеко от полюсов распространяется влияние таких «языков затекания»? Исследования показывают, что очень далеко, вплоть до экватора и дальше. В экваториальной Атлантике в водах нижних (глубинной и придонной) структурных зон кислорода больше, чем в водах верхних (приповерхностной и промежуточной) именно потому, что нижние зоны формируются под воздействием холодных полярных вод, в верхние лишь за счет процессов взаимодействия с атмосферой и фотосинтеза.

Интересен характер распределения кислорода на севере Тихого океана в районе Берингова пролива. Здесь, как видно на слайде, промежуточная, глубинная и придонная зоны крайне обеднены кислородом. Связано это с тем, что водные массы этих зон формируются в первую очередь за счет Антарктических, а не Арктических (как можно было бы ожидать) вод. Доступ арктических вод в этот район «заблокирован» небольшой шириной и глубинами Берингова пролива. Похожая картина наблюдается и на севере Индийского океана в районе Бенгальского залива – на состав его вод также преимущественное влияние оказывают глубинные воды, поступающие со стороны Антарктиды.

В завершение необходимо упомянуть, что в районах поднятия глубинных вод, например, на востоке Тихого океана в районе экватора, наблюдается необычная картина – приповерхностные воды здесь крайне бедны кислородом, так как формируются за счет глубинных вод.

Источник

«Легкие» планеты находятся в океане

Существует мнение, что «легкими планеты» являются леса, поскольку считается, что именно они — основные поставщики кислорода в атмосферу. Однако на самом деле это не так. Главные производители кислорода живут в океане. Этих малышей невозможно увидеть без помощи микроскопа. Но все живые организмы Земли зависят от их жизнедеятельности.

Никто не спорит, что леса, конечно же, надо сохранять и оберегать. Однако вовсе не из-за того, что они являются этими пресловутыми «легкими». Потому что на самом деле их вклад в обогащение нашей атмосферы кислородом практически равен нулю.

Никто не будет отрицать тот факт, что кислородную атмосферу Земли создали и продолжают поддерживать именно растения. Это случилось потому, что они научились создавать органические вещества из неорганических, используя при этом энергию солнечного света (как мы помним из школьного курса биологии, подобный процесс называется фотосинтез). В результате этого процесса листья растений выделяют свободный кислород как побочный продукт производства. Этот необходимый нам газ поднимается в атмосферу и потом равномерно распределяется по ней.

Ежегодно выбрасывается в атмосферу около 145 млрд тонн кислорода

По данным различных институтов, таким образом, на нашей планете ежегодно выбрасывается в атмосферу около 145 млрд тонн кислорода. При этом большая часть его расходуется, как это не удивительно, вовсе не на дыхание обитателей нашей планеты, а на разложение погибших организмов или, попросту говоря, на гниение (примерно 60 процентов от используемого живыми существами). Так что, как видите, кислород не только дает нам возможность дышать полной грудью, но и выступает в роли своеобразной печки для сжигания мусора.

Как мы знаем, любое дерево не вечно, поэтому, когда, наступает время, оно умирает. Когда ствол лесного гиганта падает на землю, его организм разлагают тысячи грибов и бактерий в течение весьма длительного времени. Все они используют при этом кислород, который вырабатывается оставшимися в живых растениями. Согласно подсчетам исследователей, на подобную «уборку территории» уходит около восьмидесяти процентов «лесного» кислорода.

Но оставшиеся 20 процентов кислорода вовсе не поступают в «общий атмосферный фонд», а также используются лесными жителями «на местах» в своих целях. Ведь

тоже нужно дышать (без участия кислорода, как мы помним, многие живые существа не смогли бы получать из пищи энергию). Поскольку все леса, как правило, являются весьма густонаселенными зонами, этого остатка хватает только для того, что бы удовлетворить кислородные потребности лишь своих собственных обитателей. Для соседей (например, жителей городов, где собственной растительности мало) уже ничего не остается.

Торфяные болота необходимы для дыхания человека

Кто же тогда является на нашей планете основным поставщиком этого необходимого для дыхания газа? На суше это, как ни странно… торфяные болота. Всем известно, когда на болоте погибают растения, их организмы не разлагаются, поскольку бактерии и грибы, делающие эту работу, не могут жить в болотной воде — там много природных антисептиков, выделяемых мхами.

Итак, отмершие части растений, не разлагаясь, опускаются на дно, образуя залежи торфа. А если нет разложения, то и кислород не тратится. Поэтому болота отдают в общий фонд около 50 процентов вырабатываемого ими кислорода (другую половину используют сами обитатели этих неприветливых, но весьма полезных мест).

Фитопланктон производит 40% кислорода на Земле

Тем не менее взнос болот в общий «благотворительный фонд кислорода» не очень-то и велик, ведь их на Земле не так много. Куда активнее участвуют в «кислородной благотворительности» микроскопические океанические водоросли, совокупность которых ученые называют фитопланктоном. Эти существа настолько малы, что простым глазом их разглядеть практически невозможно. Однако их общее количество весьма велико, счет идет на миллионы миллиардов.

Весь мировой фитопланктон вырабатывает в 10 раз больше кислорода, чем нужно ему самому для дыхания. Хватает для того, что бы обеспечить полезным газом и всех остальных обитателей вод, и в атмосферу попадает немало. Что касается затрат кислорода на разложение трупов, то в океане они весьма низки — примерно 20 процентов от общей выработки.

Происходит это из-за того, что мертвые организмы сразу же поедаются падальщиками, которых в морской воде живет великое множество. Тех, в свою очередь, после смерти съедят другие падальщики, и так далее, то есть трупы в воде практически никогда не залеживаются. Те же останки, на которые уже ни для кого не представляют особого интереса, падают на дно, где мало кто живет, и разлагать их просто некому (так образуется всем известный ил), то есть и в данном случае кислород не расходуется.

Итак, океан поставляет в атмосферу около 40 процентов того кислорода, которое произвел фитопланктон. Именно этот запас и расходуется в тех областях, где кислорода вырабатывается очень мало. К последним, кроме городов и деревень относятся

Так что, как это ни странно, род человеческий живет и здравствует на Земле именно за счет микроскопических «кислородных фабрик», плавающих по поверхности океана. Именно их-то и следует называть «легкими планеты». И всячески оберегать от нефтяных загрязнений, отравлений тяжелыми металлами и т. п., поскольку, если они вдруг прекратят свою деятельность, нам с вами будет просто нечем дышать.

Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google, либо Яндекс.Дзен

Быстрые новости в Telegram-канале Правды.Ру. Не забудьте подписаться, чтоб быть в курсе событий.

Источник

Деоксигенация океана — Ocean deoxygenation

Деоксигенация океана — это снижение содержания кислорода в океанах в результате деятельности человека в результате антропогенных выбросов углекислого газа и избыточного производства, вызванного эвтрофикацией . Это проявляется в увеличении числа прибрежных и устьевых гипоксических областей, или мертвых зон , и в расширении зон минимума кислорода в Мировом океане. Уменьшение содержания кислорода в океанах происходит довольно быстро и представляет угрозу для всех аэробных морских обитателей , а также для людей, которые зависят от морских обитателей в плане питания или средств к существованию.

Океанографы и другие специалисты обсуждали, какая фраза лучше всего описывает это явление для неспециалистов. Среди рассмотренных вариантов были удушение океаном (которое использовалось в новостном сообщении от мая 2008 года), «кислородное голодание океана», «снижение уровня кислорода в океане», «деоксигенация моря», «истощение океана кислородом» и « гипоксия океана ». Термин «деоксигенация океана» все чаще используется международными научными организациями, поскольку он отражает тенденцию к снижению запасов кислорода в мировом океане.

СОДЕРЖАНИЕ

Обзор

Кислород поступает в океан на поверхности, через процессы фотосинтеза путем фитопланктона и смешивания с атмосферой. Однако организмы, как микробные, так и многоклеточные, во время дыхания используют кислород на всей глубине океана, поэтому, когда поступление кислорода с поверхности меньше, чем использование кислорода в глубокой воде, происходит потеря кислорода. Это явление естественное, но усугубляется усилением расслоения или повышением температуры. Стратификация происходит, когда водные массы с различными свойствами, в первую очередь температурой и соленостью , слоистые, с водой более низкой плотности поверх воды более высокой плотности. Чем больше разница в свойствах между слоями, тем меньше происходит перемешивание между слоями. Стратификация увеличивается, когда температура поверхности океана или количество пресной воды, поступающей в океан из рек и таяния льда, увеличивается, что усиливает деоксигенацию океана за счет ограничения водоснабжения. Другой фактор, который может ограничить подачу, — растворимость кислорода. По мере увеличения температуры и солености растворимость кислорода уменьшается, а это означает, что меньше кислорода может быть растворено в воде, поскольку она нагревается и становится более соленой.

Деоксигенация океана — дополнительный фактор стресса для морской флоры и фауны. Деоксигенация океана приводит к расширению зон кислородного минимума в океанах в результате сжигания ископаемого топлива . Наряду с этим деоксигенация океана вызвана дисбалансом источников и стоков кислорода в растворенной воде. Сжигание ископаемого топлива потребляет кислород, но из-за большого количества кислорода в атмосфере соответствующее относительное снижение содержания кислорода в атмосфере (0,001% в год) примерно на два порядка меньше, чем нынешняя скорость деоксигенации океана. Эти изменения произошли довольно быстро и представляют угрозу для рыб и других видов морской флоры и фауны, а также для людей, которые зависят от морских обитателей в плане питания или средств к существованию. Деоксигенация океана имеет последствия для продуктивности океана , круговорота питательных веществ, круговорота углерода и морской среды обитания . Общее содержание кислорода в океане с 1960 года снизилось на 1-2%.

Потепление океана усугубляет деоксигенацию океана и еще больше подвергает стрессу морские организмы, ограничивая доступность питательных веществ за счет увеличения стратификации океана за счет эффектов плотности и растворимости, одновременно увеличивая метаболические потребности. Повышение температуры в океанах вызывает снижение растворимости кислорода в воде, что может объяснить около 50% потерь кислорода в верхних слоях океана (> 1000 м). Согласно Специальному докладу МГЭИК 2019 года об океане и криосфере в Изменяющийся климат , жизнеспособность видов нарушается по всей океанской пищевой сети из-за изменений в химическом составе океана . По мере того, как океан нагревается, смешивание между слоями воды уменьшается, в результате чего для морской жизни становится меньше кислорода и питательных веществ . Более теплая океанская вода содержит меньше кислорода и обладает большей плавучестью, чем более холодная вода. Это приводит к уменьшению смешивания насыщенной кислородом воды у поверхности с более глубокой водой, которая, естественно, содержит меньше кислорода. Более теплая вода также увеличивает потребность живых организмов в кислороде, в результате чего морские обитатели получают меньше кислорода.

После этого на дыхание повышенной выпуска метана газовых гидратов формы плавления , в которой нижние слои воды может привести к дестабилизации газа метана, что приводит к большему количеству метана выпущен форм осадков и последующего аэробного дыхания метана в диоксид углерода . Еще один эффект изменения климата, вызывающий дезоксигенацию океана, — это изменения циркуляции. По мере того, как океан нагревается от поверхности, ожидается, что стратификация будет усиливаться, что свидетельствует о тенденции к замедлению циркуляции океана, что затем увеличивает дезоксигенацию океана. Прибрежные районы, такие как Балтийское море , северная часть Мексиканского залива и Чесапикский залив , а также в крупных замкнутых водоемах, таких как озеро Эри , подверглись деоксигенации из-за эвтрофикации. Избыточные питательные вещества попадают в эти системы реками, в конечном итоге из городских и сельскохозяйственных стоков, что усугубляется обезлесением. Эти питательные вещества обеспечивают высокую продуктивность, в результате чего образуется органический материал, который опускается на дно и вдыхается. Дыхание этого органического материала расходует кислород и вызывает гипоксию или аноксию .

Зоны океанического минимума кислорода (ОМЗ) обычно возникают на средних глубинах океана, на глубине от 100 до 1000 м, и представляют собой природные явления, возникающие в результате дыхания тонущего органического материала, образующегося на поверхности океана. Однако по мере того, как содержание кислорода в океане уменьшается, зоны кислородного минимума расширяются как по вертикали, так и по горизонтали.

Поскольку зоны с низким содержанием кислорода расширяются вертикально ближе к поверхности, они могут влиять на прибрежные системы апвеллинга , такие как Калифорнийское течение на побережье Орегона (США). Эти системы апвеллинга вызываются сезонными ветрами, которые заставляют поверхностные воды у побережья перемещаться в сторону от берега, что вытягивает более глубокие воды вдоль континентального шельфа . По мере того, как глубина деоксигенированной более глубокой воды становится меньше, больше деоксигенированной воды может попасть на континентальный шельф, вызывая прибрежную гипоксию и убивая поверхность рыб. По прогнозам, массовый улов рыбы серьезно повлияет на отрасль аквакультуры .

В целом, местное вредоносное цветение водорослей (ВЦВ), региональные мертвые зоны и океанические явления зон минимума кислорода вносят свой вклад в дезоксигенацию океана.

Глобальная протяженность

Деоксигенация океана привела к субоксическим, гипоксическим и аноксическим условиям как в прибрежных водах, так и в открытом океане. С 1950 года более 500 сайтов в прибрежных водах сообщили концентрации кислорода ниже 2 мг л -1 , которые , как правило , принимается в качестве порога гипоксических условиях. Некоторые районы открытого океана имеют естественную низкую концентрацию кислорода из-за биологического потребления кислорода, которое не может быть поддержано скоростью поступления кислорода в этот район в результате физического переноса, смешивания воздуха и моря или фотосинтеза. Эти области называются зонами кислородного минимума (ОМЗ), и существует множество систем открытого океана, которые испытывают эти естественно низкие кислородные условия, такие как зоны апвеллинга, глубокие бассейны замкнутых морей и ядра некоторых водоворотов модовой воды. Бедные кислородом воды прибрежных и открытых океанических систем в основном изучались изолированно друг от друга, при этом исследователи уделяли особое внимание гипоксии, вызванной эвтрофикацией, в прибрежных водах и естественным (без очевидного прямого поступления антропогенных питательных веществ) ОМЗ открытого океана. Однако бедные кислородом воды прибрежных районов и открытого океана сильно взаимосвязаны, и поэтому в обоих случаях наблюдается увеличение интенсивности, пространственного и временного масштабов дезоксигенированных условий.

Пространственная протяженность дезоксигенированных условий может широко варьироваться. В прибрежных водах районы с деоксигенированной средой могут простираться от менее одного до многих тысяч квадратных километров. ОМЗ открытого океана существуют во всех океанских бассейнах и имеют одинаковые вариации в пространственной протяженности; примерно 8% мирового океана находится в пределах ОМЗ. Самый крупный ОМЗ находится в восточной тропической части северной части Тихого океана и составляет 41% от этого глобального объема, а самый маленький ОМЗ находится в восточной части тропической Северной Атлантики и составляет лишь 5% от глобального объема ОМЗ. Вертикальная протяженность условий с низким содержанием кислорода также изменчива, и области со стойким низким содержанием кислорода имеют годовые колебания в верхних и нижних пределах бедных кислородом вод. Обычно предполагается, что ОМЗ будут располагаться на глубинах от 200 до 1000 метров. Верхний предел ОМЗ характеризуется сильным и быстрым градиентом оксигенации, называемым оксиклином. Глубина оксиклина варьируется в зависимости от ОМЗ и в основном зависит от физических процессов, таких как потоки воздуха и моря и вертикальное движение на глубине термоклина. Нижний предел ОМЗ связан со снижением биологического потребления кислорода, поскольку большая часть органического вещества потребляется и вдыхается в верхних 1000 м вертикального водного столба. В более мелководных прибрежных системах бедные кислородом воды могут доходить до придонных вод, что отрицательно сказывается на бентических сообществах. Временная продолжительность условий с низким содержанием кислорода может варьироваться в сезонных, годовых или многолетних масштабах. Гипоксические условия в прибрежных системах, таких как Мексиканский залив, обычно связаны со стоками рек, термохалинной стратификацией водной толщи, ветровым воздействием и моделями циркуляции на континентальном шельфе. Таким образом, существуют сезонные и годовые закономерности в возникновении, сохранении и разрушении условий интенсивной гипоксии. Концентрации кислорода в открытых океанах и на границах между прибрежными районами и открытым океаном могут различаться по интенсивности, пространственной протяженности и временной протяженности из-за многолетних колебаний климатических условий.

Измерение растворенного кислорода в прибрежных водах и водах открытого океана за последние 50 лет выявило заметное снижение содержания кислорода. Это снижение связано с расширением пространственной протяженности, расширением вертикальной протяженности и продолжительностью бедных кислородом условий во всех регионах Мирового океана. Исследования пространственной протяженности ОМЗ в прошлом с помощью палеоокеанографических методов ясно показывают, что пространственная протяженность ОМЗ со временем расширилась, и это расширение связано с потеплением океана и уменьшением вентиляции термоклинных вод. Многие устойчивые ОМЗ увеличились в толщине за последние пять десятилетий как за счет обмеления верхнего предела, так и за счет расширения вниз нижнего предела. Прибрежные районы также увеличились в пространстве и во времени из-за увеличения антропогенного поступления питательных веществ и изменений в региональной циркуляции. В областях, где ранее не было условий с низким содержанием кислорода, таких как прибрежный шельф Орегона на западном побережье Соединенных Штатов, недавно внезапно возникла сезонная гипоксия.

Глобальное снижение содержания кислорода в океане статистически значимо и выходит за рамки естественных колебаний. Эта тенденция потери кислорода ускоряется, причем широко распространенные и очевидные потери происходят после 1980-х годов. Скорость и общее содержание потери кислорода варьируется в зависимости от региона, при этом северная часть Тихого океана становится особой горячей точкой деоксигенации из-за увеличения количества времени, прошедшего с момента последней вентиляции его глубинных вод (см. Термохалинная циркуляция), и связанного с этим высокого видимого использования кислорода (AOU). ) (. Оценки общей потери кислорода в глобальном океане колеблются от 119 до 680 трлн моль декад -1 с 1950-х годов. Эти оценки представляют 2% глобального запаса кислорода в океане. Усилия по моделированию показывают, что глобальные темпы потери кислорода океаном будут продолжать расти. ускориться до 125 трлн моль год −1 к 2100 году из-за постоянного потепления, сокращения вентиляции более глубоких вод, увеличения биологической потребности в кислороде и связанного с этим расширения и обмеления ОМЗ.

Изменение климата

Большая часть избыточного тепла от выбросов CO ₂ и других парниковых газов поглощается океанами. Более теплые океаны вызывают дезоксигенацию как потому, что кислород менее растворим в более теплой воде, так и из-за стратификации океана, обусловленной температурой, которая препятствует производству кислорода в результате фотосинтеза .

Поверхность океана расслаивается по мере того, как атмосфера и океан нагреваются, вызывая таяние льда и ледниковый сток. В результате получается менее соленый и, следовательно, менее плотный слой, который плавает сверху. Также более теплая вода менее плотная. Эта стратификация препятствует поднятию питательных веществ (океан постоянно перерабатывает свои питательные вещества) в верхний слой океана. Именно здесь происходит большая часть океанического фотосинтеза (например, фитопланктона). Это уменьшение поступления питательных веществ, вероятно, приведет к снижению скорости фотосинтеза в поверхностном океане, на который приходится примерно половина кислорода, производимого во всем мире. Повышенная стратификация также может уменьшить поступление кислорода в океан. Более теплая вода также увеличивает метаболизм морских организмов, что приводит к учащению дыхания. В поверхностном океане усиленное дыхание, вероятно, приведет к снижению чистого производства кислорода и, следовательно, к меньшему переносу кислорода в атмосферу. Во внутренних водах океана сочетание учащенного дыхания и уменьшения поступления кислорода из поверхностных вод может привести к понижению уровня кислорода до гипоксических или аноксических уровней. Низкие уровни кислорода не только смертельны для рыб и других видов, находящихся на верхнем трофическом уровне, они могут изменить микробиологический цикл глобально важных элементов (см. Микробиологию зон минимального содержания кислорода, таких как азот; нитрат заменяет кислород в качестве первичного микробного акцептора электронов на очень высоком уровне). низкая концентрация кислорода Все это, повышенная потребность травоядных животных, уменьшение поступления питательных веществ, уменьшение растворенного кислорода и т. д., приводит к несоответствию пищевых цепей.

Подразумеваемое

Деоксигенация океана имеет последствия для продуктивности океана , круговорота питательных веществ, круговорота углерода и морской среды обитания . Исследования показали, что океаны уже потеряли 1-2% кислорода с середины 20-го века, а моделирование предсказывает снижение содержания O ₂ в глобальном океане на 7% в течение следующих ста лет. Прогнозируется, что сокращение содержания кислорода продлится тысячу лет или больше.

Источник