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UMWELTLABOR/222: Den Weltmeeren geht die Puste aus (SB)


Unausgereifte Theorien über Sauerstoffverluste im Meer

Nur eins ist sicher: Die Konzentration des lebenswichtigen Gases sinkt immer weiter


Sauerstoff im Wasser ist für die Meeresumwelt von existentieller Bedeutung. Nur wenige Organismen sind in der Lage, in solchen Schichten zu leben, in denen Sauerstoff selten oder gar nicht vorkommt. Diese sauerstoffarmen bis sauerstofflosen Zonen nehmen derzeit allerdings in alarmierender Geschwindigkeit gerade auch in Bereichen der Küsten und Förden zu, aus denen die Anwohner in vielen Teilen der Erde ihre Nahrung beziehen.

Das Problem ist keineswegs neu. Allein im Rahmen eines deutschen "Bund- Länder-Meßprogramms" sind u.a. zur Überprüfung des Sauerstoffgehaltes zehn Forschungsschiffe auf Nord-und Ostsee unterwegs.

Weniger bekannt ist allerdings, wie weit sich die sogenannten "Toten Zonen" inzwischen schon auf der ganzen Welt ausgedehnt haben. Untersuchungen des Umweltprogramms UNEP (UN Environment Programme) zufolge gibt es derzeit nahezu 150 sauerstoffarme Gebiete in den Weltmeeren. Gemeinhin spricht man von einer turnusmäßigen Verdoppelung dieser Zahl alle zehn Jahre, seit man diese lebensfeindlichen Areale erstmals 1960 entdeckt hat:

"Since the 1960s the number of oxygen-starved areas has doubled every decade, as human nitrogen production has outstripped natural sources."

[Seit 1960 hat sich die Anzahl der sauerstoffarmen Gebiete alle 10 Jahre verdoppelt, während die Stickstoffproduktion durch den Menschen sämtliche natürliche Produzenten übertroffen hat. Übersetz. SB-Red.]
(BBC, 29. März 2004)

Zwar wären manche dieser toten Gebiete nur wenige Quadratkilometer groß, andere haben aber bereits Größen von mehreren 10.000 Quadratkilometern erreicht - wie etwa jenes im Golf von Mexiko, das mit 70.000 Quadratkilometern schon etwa die Fläche Bayerns erreicht hat.

Den beschwichtigenden Theorien der Umweltexperten zufolge handelt es sich um ein vom Menschen verursachtes Problem, das sich mit entschiedenen Gegenmaßnahmen beheben lassen müßte.

Die aktuelle Entwicklung spricht allerdings für wesentlich drastischere Umwälzungen in der Natur. Und obwohl man schon vor Jahren auf dieses "Problem" aufmerksam wurde, bestätigt die aktuelle Ausgabe des Wissenschaftsjournals "Science" vom 2. Mai 2008 nun, daß dieser Trend weiter anhält. Nicht nur tote Zonen breiten sich gewaltig aus, darüber hinaus nimmt der Sauerstoffverlust zu.

Beinahe zeitgleich zu dieser Studie meldete sich der amerikanische Ozeanograph Steven J. Bograd, von der "National Oceanic and Atmospheric Administration's Environmental Research Division in Pacific Grove", Kalifornien, zu Wort, der ähnliche Entwicklungen an der kalifornischen Küste beobachtet hat. Er bezeichnete diese neuen Entdeckungen als so gravierend, daß sie Maßnahmen erforderten und meinte, dies käme nicht überraschend:

"So, why should we care?" Bograd said. "Most marine species have minimum oxygen thresholds that they need for survival. As oxygen decreases, these animals will suffer and/or be compelled to move to other areas. Over time, the optimal area for various species will be compressed," he explained.

["Warum also sollten wir uns darum kümmern?" meinte Bograd, "die meisten Meeresbewohner können nur oberhalb eines bestimmten Sauerstoffkonzentrationsgrenzwertes existieren. Sobald die Sauerstoffkonzentration sinkt, leiden diese Tiere und/oder sind gezwungen, andere Gebiete aufzusuchen. Mit der Zeit werden sich die optimalen Lebensbereiche für die verschiedene Tierarten zusehends verdichten", erläutert er. - Übersetz. SB-Red.]
(AFP, 1. Mai 2008)

Bograds Untersuchungen liegen derzeit den Geophysical Research Letters zur Veröffentlichung vor.


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Die Meere kippen um - Eutrophierung oder strömungstheoretische Umlastung

Bisher fehlt den Wissenschaftlern jede plausible Begründung für diese lebensbedrohliche Entwicklung. Erklärungsversuche halten entsprechend an konventionellen Theorien fest, auch wenn sich bei ihrer Übertragung in die Praxis Widersprüche anhäufen:

"We are not able to say definitively what has caused the oxygen declines off California. But we do know that waters from the eastern tropical Pacific" - a reduced-oxygen area studied by Stramma - flow into this region, Bograd said.

[Wir können nicht definitiv sagen, was den Sauerstoffschwund vor Kalifornien verursacht hat. Doch wir wissen, daß das Wasser vom östlichen tropischen Pazifik - ein sauerstoffreduziertes Gebiet, das von Stramma untersucht wird - in diese Region strömt", meinte Bograd. - Übersetz. SB-Red.]

Damit wird das Erklärungsproblem nur in eine andere geographische Zone, besser gesagt, an den Forschungs- und Verantwortungsbereich des deutschen Dr. Lothar Stramma vom Kieler Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) abgeschoben.

Da die Eutrophisierung von Flüssen und Binnenseen durch Stickstoff- und Phosphorüberdüngung sowie einfache Lösungen dafür bekannt sind, versucht man auch im Meer die Nitrifizierung für den Sauerstoffmangel verantwortlich zu machen:

"Das Vorkommen kann direkt auf Nährstoffe oder Düngemittel zurückgeführt werden, die beispielsweise vom Mississippi aus in den Golf gelangen", gab seinerzeit die UNEP an. Auch an der Adria, in der Ostsee und im Schwarzen Meer sind solche Zonen bekannt. Die Überdüngung fördere ein starkes Algenwachstum. Die verrottenden, abgestorbenen Algen auf dem Meeresgrund würden dem Wasser angeblich den letzten Sauerstoff entziehen, alles marine Leben ersticke in den betroffenen Regionen.

Vor den Auswirkungen von Düngemitteln und Nährstoffen auf die 'Gesundheit' des Planeten habe bereits das Weltumweltbuch 2000 gewarnt, doch seitdem seien gegen diese Bedrohung nur sehr wenige Maßnahmen ergriffen worden, beklagte das UNEP.
(dpa, März 2004)

Die üblichen Gegenmaßnahmen, u.a. die radikale, weltweite Reduktion von Düngemitteln, die teilweise schon angestrebt wurde, erweisen sich letztlich als kontraproduktiv, auch wenn die UN das in ihren Berichten nicht wahrhaben will.

Nun wird der fehlende Sauerstoff eigentlich nur deshalb immer wieder thematisiert, weil allein die Welternährung laut UN-Statistiken derzeit 17 Prozent ihres gesamten Tiereiweißes aus Fisch bezieht. Diese Ernährungsgrundlage schwindet gewissermaßen durch die "Sauerstofflöcher" und bedroht damit weltweit die vom Meer abhängige Existenz hunderter Millionen Menschen.

Würde man aber beispielsweise dem kurzgedachten Rat der Experten folgen und ganz auf "Kunstdünger" verzichten, um die Kette der Nitratbelastung auf dem Land zu durchbrechen und auf diese Weise das Leben derer zu retten, die durch Nitrat bzw. tote Meereszonen zu Schaden kommen könnten, erwirtschaftet man dabei das genaue Gegenteil: Milliarden von Menschen würden verhungern.

Zwar ist ein Stickstoff-Reservoir im Boden vorhanden, aber für die Pflanzen ist davon nur ein sehr geringer Teil verfügbar, da die Nitratfreisetzung nur langsam erfolgt. Noch schlimmer steht es um den Phosphor und seit jüngstem muß der Boden sogar künstlich geschwefelt werden, um den Agrarpflanzen die notwendigen Mineralstoffe anzubieten. Ohne Düngung würden sich die Erträge von Jahr zu Jahr um etwa ein Drittel verringern. Was das für die Welternährungssituation bedeutet, die schon heute trotz optimalem Düngemitteleinsatz nicht für alle Menschen ausreichend Nahrungsmittel produzieren kann, läßt sich leicht ausrechnen.

Zwar werden von den weltweit eingesetzten 120 Millionen Tonnen Stickstoff (künstliche und natürliche Düngemittel) nur 20 Millionen Tonnen direkt von den Ackerpflanzen "verbraucht". Doch abgesehen davon, daß die Überdüngung teilweise notwendig ist, um eine optimale Versorgung der Pflanzen zu gewährleisten, greifen die vermeintlichen Maßnahmen, wie Düngemittel- und Stickstoffeinträge zu reduzieren, Autoabgase und Abwässer zu reinigen und mehr Wälder anzulegen, um die überschüssigen Nährstoffe aus dem Boden herauszufiltern, bisher viel zu kurz, sonst hätten diese Umweltschutzmaßnahmen zum Schutz der Binnengewässer, die gleichzeitig auch positiv auf das Klima wirken sollten, in den vergangenen Jahrzehnten längst schon eine positive Auswirkung auf die jüngsten Messungen in den Meeren haben müssen. Dagegen sprechen jedoch die Zahlen und die unaufhörlich fortschreitende Sauerstoffverarmung:

So wurde in der in "Science" veröffentlichten Studie belegt, daß der Sauerstoffgehalt beispielsweise der tropischen Ozeane in den letzten 50 Jahren unterhalb der durchmischten Deckschicht im Bereich 300 bis 700 m Tiefe weiter abgenommen hat:

An den östlichen Rändern der tropischen Ozeane existieren in etwa 200-800 m Tiefe Zonen mit reduziertem Sauerstoffgehalt, die Sauerstoffminimumzonen genannt werden.
(idw, 2. Mai 2008)

In diesem Fall gehen die Forscher von einem Sauerstoffschwund aus, der durch den CO2-Anstieg in der Atmosphäre und die damit verbundene Temperaturzunahme bedingt wird, da im wärmeren Wasser die Sauerstofflöslichkeit abnimmt und sich somit auch das Absinken von sauerstoffreichem Wasser in den polaren Regionen verringert und folglich die tiefen Schichten des Ozeans weniger belüftet werden.

Bisher ging man davon aus, daß kaltes Ozeanwasser in den polaren Zonen Sauerstoff aufnimmt, abkühlt und dann nach unten sinkt, wo es mit der Meeresströmung in Richtung Äquator transportiert wird. Das behauptet zumindest Gregory C. Johnson von dem "National Oceanic and Atmospheric Administration's Pacific Marine Environmental Laboratory" in Seattle. Er ist der Mitautor der in "Science" veröffentlichten Studie. Auf dieser recht langen Strecke soll der Sauerstoff außerdem durch Eutrophierungsreaktionen verlorengehen.

Nach wie vor muß mit einer weiteren Abnahme des Sauerstoffs gerechnet werden. In den höheren Breiten konnte das mit Hilfe von Beobachtungsdaten bereits nachgewiesen werden. In den subtropischen und subpolaren Meeresgebieten werden noch höhere Änderungen erwartet als in den tropischen Regionen. Für die Tropen stehen vergleichsweise wenige Meßdaten zur Verfügung. Die Ergebnisse sprechen für sich:

Eine internationale Forschergruppe unter Leitung von Dr. Stramma vom IFM-GEOMAR zusammen mit Dr. Gregory Johnson von der NOAA in Seattle, Dr. Janet Sprintall vom Scripps Institution of Oceanography in San Diego und Dr. Volker Mohrholz vom Institut für Ostseeforschung in Warnemünde wählten einzelne Gebiete mit höherer Datenmenge aus und ergänzten sie mit aktuellen Messungen, um die Abnahme des Sauerstoffgehalts zu dokumentieren. "Die größte Sauerstoffabnahme im Tiefenbereich 300-700 m wurde im tropischen Nordostatlantik beobachtet, während im östlichen Indischen Ozean die Sauerstoffabnahme eher gering ausfiel", erklärt Dr. Stramma. Ob die beobachteten Sauerstoffänderungen im Zusammenhang mit der globalen Klimaerwärmung stehen können, ist noch zu klären. "Im Ozean existieren Änderungen auf unterschiedlichen Zeitskalen", betont Dr. Stramma. "Mit Messungen alleine können wir nicht die Ursachen der Änderungen erklären. Auch natürliche Prozesse, die auf kürzeren Zeitskalen auftreten, können die beobachtete Abnahme des Sauerstoffgehalts verursacht haben", so Stramma weiter. Allerdings ist das Ergebnis konsistent mit Modellrechnungen, die auch für die Zukunft eine weitere Abnahme prognostizieren.

Wenn sich dieser Trend fortsetzen würde, ist dies besonders in den jetzt untersuchten tropischen Regionen bedeutsam, denn hier sind die Sauerstoffgehalte im Wasser generell niedrig und ein weiteres Absinken kann zu existentiellen Problemen für marine Organismen führen.
(idw, 2. Mai 2008)


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An der Sauerstoffverarmung haben nicht die Algen schuld

Mit der Eutrophierung allein können die oben geschilderten Entwicklungen nicht ausreichend erklärt werden. Außerdem widerspricht dieser Theorie eine zu beobachtende vermehrte Begrünung in jenen Gebieten, die man zum Zwecke des Wasser- und Klimaschutzes aufgeforstet hat. Ein 6%ger weltweiter Anstieg der Begrünung ließe sich per Satellit ausmachen, hieß es schon 2003 im Weltumweltbuch:

Data suggest that the energy created by plants through photosynthesis, minus that used in respiration, increased by about 6 percent globally over the last two decades.

[Die Daten legen eine globale, um 6 Prozent anwachsende Energieproduktion durch Photosynthese in den letzten 20 Jahren nahe, abzüglich des Verlust durch die Pflanzenatmung, Übersetzung SB-Red.]
(BBC, 29. März 2004)

Dies gilt als Beleg dafür, daß der Überschuß an eingesetztem Stickstoffdüngereintrag zu einem beträchtlichen Teil von der wilden Vegetation in Biomasse umgewandelt wird. Dennoch werden für den durch die globale Erwärmung bedingten Sauerstoffschwund, der nicht ausreicht, um das gesamte Ausmaß rechnerisch zu decken, zusätzlich die Eutrophierung bzw. Verwesungsprozesse im Tiefenwasser-Belüftungsstrom der Weltmeere als Erklärungskonzept herangezogen.

Along the way, organic matter drifts down into the deeper water and its decay uses up some of this oxygen.

The oxygen balance depends on this movement and the amount of oxygen reaching the warmer waters, Johnson said, and this can be reduced if less is absorbed and moved in the deep currents.

[Das Sauerstoffgleichgewicht hängt von dieser Fortbewegung und von der Menge an Sauerstoff ab, die schließlich die Warmwasserzone erreicht, behauptet Johnson, und das kann sich noch weiter reduzieren, wenn weniger absorbiert und das Wasser von tiefen Strömungen transportiert wird. Übersetz. SB-Red.]

Selbst wenn das Erklärungsmodell hinkt - um für die toten Zonen verantwortlich zu sein, müßte man ein wesentlich gigantischeres Algenwachstum registrieren können, als es tatsächlich der Fall ist -, bleibt doch das Ergebnis: immer weniger meßbarer Sauerstoff.

Unter einem anderen Blickwinkel...

Andere Ursachen und Zusammenhänge, den Sauerstoffverlust voranzutreiben, wären denkbar, die bisher von Umweltbehörden und Wasserschützern übersehen wurden.

Wenn man davon ausgeht, daß nicht nur Sauerstoff aus der Atmosphäre in den oberen Wasserschichten gelöst, sondern der im Wasser gebundene Sauerstoff auch durch Wärme oder Sonnenstrahlung freigesetzt, d.h. in ein atembares gasförmiges Aggregat umgesetzt und an der Wasseroberfläche verloren werden kann, dann ließen sich die sauerstoffarmen Zonen nicht als Zonen verstärkten Verbrauchs, sondern als Zonen geringer oder mangelnder Sauerstofffreisetzung (z.B. auch aus der molekularen Bindung, d.h. Wasserzersetzung) verstehen.

So gibt es beispielsweise auch Bereiche größerer, sogenannter natürlicher Sauerstoffverarmung schon immer in sehr tiefen Bereichen des Meeres, in die kein Licht dringt, die weder durch Eutrophierung noch durch schlechte Belüftung erklärt werden können. Die dort lebenden Organismen sind entweder anaerobe (ohne Sauerstoff lebende) Mikroorganismen oder Tiere, die auf den Sauerstoffaustausch mit anderen Wasserschichten, sprich Strömungen, angewiesen sind.

Die Wasserschichten im Meerwasser sind darüber hinaus eine wenig berücksichtigte statische Komponente, die durch den unterschiedlichen Salzgehalt in der Wassersäule des Meeres entsteht. Das salzhaltige Wasser ist schwerer und sinkt auf den Boden. Das salzarme Wasser, das leichter ist, befindet sich nahe der Oberfläche. Dazwischen liegt eine Sprungschicht, die salzarmes und salzreiches Wasser voneinander trennt. Je größer der Temperatur- und Salzgehaltsunterschied, desto stärker ist diese Schichtung.

Daß hier der Sauerstoffgehalt in den windstillen und heißen Sommermonaten auf so geringe Konzentrationen absinkt, daß kein organisches Leben mehr möglich ist, beschrieb der Deutschlandfunk vor wenigen Jahren:

Wir haben gefunden, dass wir, abgesehen von der gut sauerstoffbelüfteten Oberfläche - typisch für die Ostsee - unterhalb der Dichtesprungschicht verschiedene geringe Sauerstoffgehalte gefunden haben.

Und zwar so geringe Sauerstoffgehalte, dass sie für
höheres Leben schon fast lebensfeindlich sind
unterhalb von zwei Milligramm, wir haben 0,2 mg
gefunden in der Kieler Innenförde. Und insbesondere
auch gestern in tieferen Bereichen unterhalb von 20
Meter nicht ausreichende Sauerstoffwerte."

(DLF, 15. August 2003)

Auch andere mechanische Vorgaben sind denkbar, die sich in Zusammenhang mit einer Atmosphären-, Stratosphären-, Umwelt- oder Klimaveränderung geradezu fatal auswirken können. Wenn z.B. aufgrund atmosphärischer Temperaturerhöhung der Wind ausbleibt, fehlt der "Seegang" der Oberflächenwasser mit Luft durchmischt. Eine ähnlich katastrophale Wirkung könnten aber auch veränderte Druckverhältnisse durch ein Fehlen des Sauerstoffs in der Atmosphäre haben. Ein beständiger Sauerstoffschwund in der Atmosphäre wurde schon vor Jahren registriert, aber nie als bedenklich eingeschätzt.

Und schließlich könnte auch schon eine andere Zusammensetzung der kosmischen Strahlung und des UV-Lichts, die durch die Ausdünnung der Ozonschicht in der Stratosphäre zustande kommt, ein weiterer unberücksichtigter Faktor sein, der das empfindliche System stört, das hier u.a. als Sauerstoffbalance bezeichnet wurde.

Ganz gleich, welche Gründe letztlich dazu führen, das Ausmaß der Sauerstoffverarmung ist schon jetzt lebensbedrohlich:

Normale Sauerstoffkonzentrationen in kaltem Oberflächenwasser enthalten 300 bis 400 Mikromol pro Kilogramm, hieß es in der besagten Studie von Stramma und Johnson. Das Molvolumen eines Gases entspricht 22,4 Liter/mol. Ein Mikromol entspricht einem Tausendstel dieser Menge. Gelöster Sauerstoff kommt in den Meeren in sehr unterschiedlichen Konzentrationen vor. Meeresbewohner geraten allerdings schon in Not, wenn das Niveau zwischen 60 und 120 Mikromol pro Kilogramm absinkt. Nach der in Science veröffentlichten Studie wurden in Teilen des östlichen Pazifik Konzentrationen unter 10 Mikromol pro Kilogramm gefunden. Im nördlichen Bereich des Indischen Ozeans und größeren Gebieten im Atlantik und Pazifik sind Werte unter 150 Mikromol inzwischen normal. Und die Sauerstoffkonzentrationen fallen weiter:

Stramma's team noted declines in affected areas ranging from 0.09 to 0.34 per year over the last half century.

[Die Mitarbeiter um Stramma haben Verluste in den betroffenen Gebieten dokumentiert, die von 0,09 bis 0,34 Mikromol pro Jahr über die letzten 50 Jahre reichen. Übersetz. SB-Red.]
(R.E.Schmid, AP Science Writer, 1. Mai 2008)

Erstveröffentlichung 2004
Neue, überarbeitete Fassung

6. Mai 2008