Ile tlenu produkuje ocean i dlaczego jego brakuje w martwych strefach?

Ocean jako globalna fabryka tlenu

Jaka część tlenu na Ziemi pochodzi z oceanu?

Ocean jest największą „fabryką tlenu” na planecie. Szacuje się, że od 50 do nawet 80% tlenu atmosferycznego jest produkowane przez organizmy morskie – głównie mikroskopijne glony zwane fitoplanktonem. To oznacza, że co drugi, a czasem nawet cztery z pięciu oddechów zawdzięczamy oceanowi, a nie lasom lądowym.

Popularny mit głosi, że „płuca Ziemi” to Puszcza Amazońska. W rzeczywistości Amazonia produkuje dużo tlenu, ale prawie wszystko zużywa sama (oddychanie roślin, rozkład materii organicznej). Bilans tlenu z lasów tropikalnych jest bliski zeru. Z oceanem jest inaczej: ogromna część tlenu wytwarzanego przez fitoplankton wydostaje się do atmosfery i zasila globalny obieg.

Produkcja tlenu w oceanie nie jest jednak równomierna. Najwięcej wytwarzają strefy bogate w składniki odżywcze – rejony upwellingu, szelfy kontynentalne, obszary umiarkowane z wyraźnym sezonowym zakwitem planktonu. Z kolei martwe strefy i głębokie, słabo wymieszane warstwy wnoszą do bilansu znacznie mniej, a czasem wręcz „pochłaniają” tlen.

Jak mierzy się produkcję tlenu przez ocean?

Nie istnieje pojedyncze urządzenie, które „liczy” wszystkie cząsteczki tlenu produkowane przez ocean. Naukowcy korzystają z kilku metod, które się uzupełniają:

• pomiary stężenia tlenu w wodzie – sondy tlenowe (elektrodowe lub optyczne) mierzą zawartość tlenu rozpuszczonego na różnych głębokościach; na tej podstawie szacuje się tempo produkcji i zużycia;
• pomiary fluorescencji chlorofilu – z satelitów i boi pomiarowych; im więcej chlorofilu, tym więcej fitoplanktonu, a zwykle tym większa pierwotna produkcja (w tym produkcja tlenu);
• eksperymenty butelkowe – próbki wody z planktonem inkubuje się w świetle i w ciemności, porównując zmiany stężenia tlenu; różnica pozwala policzyć produkcję netto i całkowitą;
• modele biogeochemiczne – łączą dane o świetle, temperaturze, składnikach odżywczych, prądach i biomase planktonu, by oszacować globalną produkcję tlenu.

Wyniki poszczególnych metod nie są identyczne, ale zgrywają się w jeden wniosek: ocean jest dominującym producentem tlenu na Ziemi, choć lokalnie może go też bardzo intensywnie zużywać, co właśnie prowadzi do powstania martwych stref.

Bilans: produkcja tlenu vs. jego zużycie

Sam fakt, że ocean produkuje ogromne ilości tlenu, nie oznacza, że wszędzie w wodzie jest go pod dostatkiem. Trzeba patrzeć na bilans: ile tlenu powstaje, a ile jest konsumowane.

Produkowany jest głównie:

• przez fitoplankton w procesie fotosyntezy,
• w niewielkim stopniu przez makroglony (np. lasy kelpowe) i rośliny morskie (seagrassy).

Zużywany jest natomiast przez:

• oddchanie organizmów – bakterii, planktonu, ryb, bezkręgowców, ssaków morskich,
• rozkład martwej materii organicznej – im więcej „martwej biomasy” opada na dno, tym więcej bakterie potrzebują tlenu, by ją rozłożyć,
• utlenianie związków chemicznych – np. siarkowodoru, żelaza, amoniaku.

Gdy w danym miejscu produkcja tlenu jest mniejsza niż jego zużycie, zaczyna się spadek stężenia tlenu rozpuszczonego w wodzie. Jeśli taki stan utrzymuje się dłużej, rodzi się warstwa o obniżonej zawartości tlenu, a w skrajnym przypadku – pełnoprawna martwa strefa.

Mechanizm powstawania tlenu w oceanie

Fotosynteza fitoplanktonu – mikroskopijna fabryka

Podstawowy proces, który odpowiada za produkcję tlenu w oceanie, to fotosynteza tlenowa. Zachodzi ona głównie w komórkach fitoplanktonu zawierających chlorofil i inne barwniki pochłaniające światło. Ogólny schemat reakcji jest podobny jak u roślin lądowych:

Dwutlenek węgla (CO₂) + woda (H₂O) + energia świetlna → związki organiczne (cukry) + tlen (O₂)

Fitoplankton wykorzystuje energię słoneczną, żeby przekształcić nieorganiczny węgiel i składniki odżywcze w materię organiczną. Tlen jest produktem ubocznym tej przemiany i częściowo rozpuszcza się w wodzie, a częściowo ucieka do atmosfery.

Choć pojedyncza komórka planktonu jest mikroskopijna, ich liczba jest gigantyczna. W cieplejszych, dobrze oświetlonych i żyznych wodach miliardy komórek w każdym litrze mogą produkować znaczne ilości tlenu – często więcej, niż lokalne ekosystemy są w stanie zużyć. Nadwyżka wędruje wtedy do wyższych warstw wody i dalej do atmosfery.

Gdzie fitoplankton produkuje najwięcej tlenu?

Produkcja tlenu w oceanie jest silnie zróżnicowana przestrzennie. Kluczowe czynniki to: światło, składniki odżywcze, temperatura i mieszanie wody. Najwydajniejsze „fabryki” tlenu znajdują się zwykle:

• w strefach upwellingu – tam, gdzie zimne, bogate w składniki odżywcze wody głębinowe wynoszone są ku powierzchni (np. wybrzeże Peru, Namibii);
• na szelfach kontynentalnych – stosunkowo płytkie, dobrze oświetlone obszary, gdzie składniki odżywcze docierają z lądu i z głębszych warstw wody;
• w strefach umiarkowanych – wiosną i jesienią, gdy mieszanie wody łączy światło z nawozami (azot, fosfor, krzem);
• w miejscach występowania makroglonów i łąk trawy morskiej – lokalnie mogą one wytwarzać duże ilości tlenu i magazynować węgiel.

Odwrotną sytuację spotyka się w tropikalnych, przejrzystych, błękitnych wodach otwartego oceanu. Są one często ubogie w składniki odżywcze, więc mimo obfitości światła produkcja fitoplanktonu i tlenu jest tam zaskakująco niska. Te miejsca wyglądają na „żywe”, ale z punktu widzenia produkcji tlenu są raczej pustynią.

Jak głęboko sięga „strefa tlenotwórcza”?

Fotosynteza wymaga światła, więc tlen jest produkowany głównie w strefie eufotycznej – warstwie wody, w której światło słoneczne jest wystarczająco silne do podtrzymania fotosyntezy. W zależności od przejrzystości wody:

• w tropikalnych, bardzo przejrzystych wodach sięga to do 100–200 m,
• w wodach umiarkowanych i przybrzeżnych do 20–50 m,
• w silnie zmętnionych (np. ujścia rzek) może to być tylko kilka metrów.

Powyżej głębokości, gdzie fotosynteza i oddychanie się równoważą, produkcja tlenu netto jest dodatnia. Poniżej – dominuje zużycie. Ta głębokość graniczna to głębokość kompensacyjna. Im bardziej zmętniona i zanieczyszczona woda, tym płycej leży ta granica.

Gdy w wodzie pojawia się nagły, silny zakwit fitoplanktonu spowodowany nadmiarem biogenów, strefa intensywnej produkcji tlenu może koncentrować się w bardzo cienkiej warstwie przy powierzchni. Poniżej warstwy skokowej gęstości i termokliny tlen przestaje dopływać, a jego zużycie przez rozkład martwej materii zaczyna przeważać, co jest jednym z mechanizmów powstawania martwych stref.

Rozpuszczony tlen w wodzie morskiej – podstawy

Tlen w wodzie vs tlen w powietrzu

Tlen w oceanie występuje głównie w postaci tlenu rozpuszczonego (DO – dissolved oxygen). Jego stężenie jest jednak nieporównywalnie niższe niż w powietrzu. Dla porównania:

W tak „ubogim” w tlen środowisku małe zmiany w bilansie produkcji i zużycia mogą mieć dramatyczne konsekwencje. Spadek z 8 do 2 mg/l wciąż oznacza obecność tlenu, ale już wystarczy, aby część organizmów zaczęła umierać lub uciekać. Poniżej 2 mg/l mówi się zwykle o warunkach hipoksycznych, a około 0 mg/l – o warunkach anoksycznych.

Od czego zależy ilość tlenu w wodzie?

Stężenie rozpuszczonego tlenu w wodzie morskiej zależy od kilku powiązanych czynników:

• temperatura – im cieplejsza woda, tym mniej tlenu może się w niej rozpuścić (gaz gorzej rozpuszcza się w cieple); ocieplenie powierzchni oceanu zmniejsza więc „pojemność tlenową” wód;
• zasolenie – wyższe zasolenie nieznacznie obniża rozpuszczalność tlenu;
• mieszanie i napowietrzanie – fale, wiatr, prądy i turbulencje pomagają wymieniać tlen między atmosferą a wodą; w spokojnych, stojących warstwach tlen szybko się wyczerpuje;
• obecność organizmów fotosyntetyzujących – lokalnie podnoszą stężenie tlenu w czasie dnia;
• intensywność oddychania i rozkładu – im więcej materii organicznej do rozłożenia, tym większe zużycie tlenu.

W rezultacie powierzchniowe warstwy oceanu są zazwyczaj dobrze natlenione, natomiast na głębokościach kilkuset metrów może występować minimum tlenowe, poniżej którego stężenie tlenu ponownie rośnie wskutek mieszania i napływu zimnych, bogatych w tlen wód głębinowych tworzonych w rejonach polarnych.

Jak tlen z oceanu trafia do atmosfery?

Tlen wytwarzany w oceanie nie zostaje wyłącznie w wodzie. Część z niego dyfunduje przez powierzchnię oceanu do atmosfery. Proces ten jest dwukierunkowy – tlen może zarówno przechodzić z wody do powietrza, jak i z powietrza do wody, w zależności od gradientu stężeń.

Jeśli woda jest przesycona tlenem (np. podczas intensywnego dziennego zakwitu fitoplanktonu), tlen będzie „uciekał” do atmosfery. Jeśli jest niedosycona (np. w wyniku silnego oddychania i rozkładu), nastąpi odwrotny przepływ – powietrze będzie „uzupełniać” tlen w wodzie, o ile warstwa powierzchniowa jest wystarczająco mieszana przez wiatr i fale.

Na otwartym oceanie bilans wymiany gazów jest zwykle stosunkowo stabilny w skali rocznej. Jednak w rejonach przybrzeżnych, ujściach rzek czy zatokach, gdzie dopływ materii organicznej i zanieczyszczeń jest duży, tempo zużycia tlenu może być tak wysokie, że atmosfera nie nadąża z jego uzupełnianiem. To jeden z fundamentów zjawiska martwych stref.

Czym są martwe strefy w oceanie?

Definicja martwej strefy

Martwa strefa (ang. dead zone) to obszar dna morskiego lub przydennych warstw wody, gdzie stężenie rozpuszczonego tlenu spada tak nisko, że większość organizmów wielokomórkowych nie jest w stanie normalnie funkcjonować. Z naukowego punktu widzenia „martwa strefa” to najczęściej:

Progi tlenowe i skutki dla organizmów

W praktyce o martwej strefie mówi się najczęściej, gdy stężenie tlenu rozpuszczonego spada poniżej 2 mg O₂/l. Nie oznacza to absolutnego braku życia, lecz gwałtowne zubożenie bioróżnorodności i dominację kilku wyspecjalizowanych grup organizmów.

• 2–4 mg O₂/l – strefa stresu dla wielu ryb i bezkręgowców; zwierzęta mobilne uciekają, mniej ruchliwe ograniczają aktywność;
• < 2 mg O₂/l – typowe warunki hipoksyczne; śmiertelność rośnie, pojawiają się masowe śnięcia ryb, małże i skorupiaki duszą się w norach lub muszlach;
• ~0 mg O₂/l – strefa anoksyczna; życie zwierzęce praktycznie zanika, pojawiają się bakterie beztlenowe, a w skrajnych przypadkach siarkowodór (H₂S).

Dla rybaków czy nurków skutki są bardzo namacalne: nagłe zniknięcie stad ryb, porzucone, martwe małże na dnie, muł o zapachu „zgniłych jaj”. Taki obraz to klasyczny sygnał, że w danym miejscu rozwinęła się martwa strefa.

Dlaczego martwe strefy pojawiają się przy dnie?

Choć niedobór tlenu może teoretycznie wystąpić w całym profilu wody, strefy hipoksyczne i anoksyczne koncentrują się najczęściej tuż nad dnem. Powody są trzy:

• grawitacja ściąga martwą materię ku dołowi – obumarły fitoplankton, odchody zooplanktonu, resztki roślin i zwierząt opadają w dół jako „śnieg morski”;
• rozkład zachodzi głównie w osadach dennych – tam działają ogromne populacje bakterii tlenowych, które intensywnie zużywają tlen;
• słabe mieszanie wód przydennych – jeśli kolumna wody jest silnie uwarstwiona termicznie lub słonościowo, świeży, natleniony „zastrzyk” z powierzchni rzadko dociera w dół.

W efekcie przykrywająca dno warstwa wody działa jak pokrywa: od góry odcięta od wymiany z atmosferą, od dołu stale obciążana dopływem materii organicznej. Gdy zużycie tlenu przewyższa jego dopływ, strefa przydenna wchodzi w stan przewlekłej hipoksji.

Główne przyczyny powstawania martwych stref

Bezpośrednim mechanizmem jest zawsze nadmierne zużycie tlenu przy rozkładzie materii organicznej. Pytanie brzmi: skąd bierze się nadmiar tej materii? W zdecydowanej większości znanych przypadków głównym napędem jest eutrofizacja spowodowana działalnością człowieka.

Nadmiar nawozów z rolnictwa i hodowli

Pola uprawne, fermy zwierząt, nieodpowiednio zabezpieczone magazyny gnojowicy – to główne źródła azotu i fosforu spływających do rzek, a potem do mórz. Nawet jeśli nawożenie jest prowadzone zgodnie z przepisami, część składników odżywczych zawsze zostaje wypłukana przez deszcz.

Kiedy takie „koktajle biogenów” trafiają do estuariów i zatok, fitoplankton zyskuje niemal nieograniczony dostęp do składników pokarmowych. Pojawia się gwałtowny zakwit glonów. W pierwszej fazie może to wręcz zwiększyć produkcję tlenu, ale gdy glony obumrą, cała ta biomasa opada na dno i uruchamia intensywny rozkład tlenowy.

Zrzuty ścieków komunalnych i przemysłowych

Drugim filarem eutrofizacji są ścieki, zarówno oczyszczone, jak i nieoczyszczone. Zawierają one rozpuszczoną materię organiczną, azot, fosfor, a często także detergenty. Nawet nowoczesne oczyszczalnie nie usuwają wszystkich związków biogennych.

Ujścia kolektorów ściekowych i odpływy z miast portowych są często lokalnymi „gorącymi punktami” podwyższonego zużycia tlenu. W wąskich, słabo przewietrzanych zatokach może to prowadzić do powstawania małych, lecz bardzo intensywnych martwych stref.

Akwakultura i przełowienie

W wielu krajach gwałtownie rozwija się hodowla ryb i skorupiaków w morskich klatkach i stawach przybrzeżnych. Niewykorzystana pasza i odchody zwierząt opadają na dno i są rozkładane przez bakterie, zużywając tlen. Gdy zagęszczenie farm jest wysokie, lokalne dno może zostać wręcz „zaduszone”.

Z kolei przełowienie wpływa na martwe strefy pośrednio. Usuwając drapieżniki i większe ryby denne, zaburza się sieci troficzne. Zmienia się struktura planktonu i tempo krążenia materii organicznej, co może sprzyjać zakwitom i gromadzeniu się osadów bogatych w węgiel.

Ocieplanie się wód i zmiany klimatu

Globalne ocieplenie wzmacnia proces powstawania martwych stref poprzez kilka sprzężeń:

• cieplejsza woda słabiej wiąże tlen, więc przy tym samym dopływie gazu szybciej osiąga się poziomy hipoksyjne;
• rosnąca stabilność warstw wody (silniejsza stratyfikacja termiczna) ogranicza mieszanie powierzchni – mniej tlenu dociera w głąb;
• wyższa temperatura przyspiesza metabolizm organizmów, w tym bakterii rozkładających materię organiczną – tlen znika szybciej;
• bardziej ekstremalne zjawiska pogodowe (ulewy, powodzie) zwiększają spływ biogenów z lądu w krótkim czasie.

W rezultacie regiony, które już dziś zmagają się z hipoksją, stają się szczególnie wrażliwe na dalsze ocieplanie klimatu.

Jak przebiega „cykl życia” martwej strefy?

Martwe strefy nie zawsze są stałe. W wielu miejscach mają charakter sezonowy, ściśle powiązany z dopływem biogenów i warunkami hydrologicznymi. Schemat bywa zaskakująco powtarzalny.

1. Dopływ składników odżywczych – wiosenne roztopy, intensywne ulewy, nawożenie pól czy zwiększony zrzut ścieków podnoszą stężenie azotu i fosforu w wodach przybrzeżnych.
2. Zakwit fitoplanktonu – ciepła, dobrze oświetlona woda plus nadmiar biogenów uruchamiają gwałtowne namnażanie glonów. Woda staje się zielona lub brunatna, przejrzystość spada.
3. Obumieranie i opadanie glonów – gdy brakuje światła lub składników, znaczna część biomasy fitoplanktonu zamiera i opada na dno jako płatki organicznego „śniegu”.
4. Intensywny rozkład i spadek tlenu – bakterie tlenowe rozkładają martwą materię, pochłaniając ogromne ilości tlenu; w warstwach przydennych stężenie spada poniżej progu hipoksji.
5. Śmierć lub ucieczka organizmów dennych – ryby i mobilne bezkręgowce próbują uciec w kierunku lepiej natlenionych wód; gatunki przywiązane do dna giną masowo.
6. Rozproszenie lub utrwalenie strefy – jesienne sztormy i ochłodzenie mogą wymieszać kolumnę wody, przywracając tlen. Jeśli jednak dopływ materii organicznej jest stały, martwa strefa może pozostawać trwale obecna przez wiele lat.

Dlaczego tlen w martwych strefach nie jest „uzupełniany” z powierzchni?

Skoro ocean jest w kontakcie z atmosferą, wydawałoby się, że niedobór tlenu przy dnie powinien być szybko wyrównany. W rzeczywistości przeszkodą jest uwarstwienie kolumny wody.

Stratyfikacja termiczna i halinowa

Kiedy ciepła, lżejsza woda leży na chłodnej, gęstszej, tworzy się stabilna warstwa – termoklina. Podobny efekt daje różnica zasolenia: słodkawa woda rzeczna unosząca się nad słoną morską tworzy haloklinę. Tam, gdzie te dwa zjawiska współistnieją, bariery dla mieszania pionowego są szczególnie silne.

W takiej sytuacji wiatr i fale mieszają przede wszystkim cienką, powierzchniową warstwę. Tlen z atmosfery rozpuszcza się w niej i może krążyć w poziomie, ale nie przenika efektywnie w dół. Przydenne wody stają się w pewnym sensie „odciętym zbiornikiem”, który raz wyczerpany z tlenu bardzo trudno ponownie natlenić.

Znaczenie topografii dna i prądów

Głębokie zatoki, fiordy i baseny odcięte progami skalnymi czy mieliznami są szczególnie narażone na rozwój martwych stref. Wymiana wody z otwartym morzem jest tam ograniczona, więc napływ świeżych, natlenionych mas jest rzadki.

Jeżeli dodatkowo prądy przydenne są słabe, a dopływ materii organicznej – duży, dolne warstwy wody mogą pozostawać w stanie chronicznej hipoksji przez cały rok. Typowymi przykładami są niektóre baseny Morza Bałtyckiego, gdzie wody przydenne bywają anoksyczne przez wiele lat z rzędu.

Skutki martwych stref dla ekosystemów morskich

Utrata tlenu nie jest jedynie problemem „ilości życia”. Zmienia się cała struktura i funkcjonowanie ekosystemu – od składu gatunkowego po cykle biogeochemiczne.

Utrata bioróżnorodności i zmiana składu gatunkowego

Gatunki wrażliwe na niedotlenienie – wiele ryb, małży, wieloszczetów – znikają lub ustępują miejsca organizmom odporniejszym na hipoksję, takim jak:

• niektóre gatunki meduz i ktenoforów, które potrafią funkcjonować przy niskim poziomie tlenu;
• bakterie i archeony beztlenowe, wykorzystujące siarczany lub azotany zamiast tlenu;
• nieliczne bezkręgowce przystosowane do życia w miękkich, beztlenowych osadach.

W miejscach, gdzie wcześniej dominowały różnorodne zespoły ryb i bezkręgowców dennych, pozostaje zubożona, uproszczona społeczność, w której duża część energii przepływa przez mikroorganizmy, a nie duże zwierzęta.

Zmiana procesów biogeochemicznych

W warunkach anoksycznych tlen przestaje pełnić rolę końcowego akceptora elektronów w oddychaniu komórkowym. Zastępują go inne związki, co zmienia cały chemizm osadów i przydennych wód:

• bakterie siarczanowe redukują siarczany (SO₄²⁻) do siarkowodoru (H₂S), toksycznego dla większości organizmów;
• azotany (NO₃⁻) podlegają denitryfikacji do azotu (N₂) lub podtlenku azotu (N₂O), co zmniejsza dostępność związków azotu w wodzie, ale może zwiększać emisję gazów cieplarnianych;
• fosfor związany w osadach może być ponownie uwalniany do wody w warunkach beztlenowych, co napędza kolejne zakwity – powstaje błędne koło eutrofizacji.

Takie przejście na „chemiczny plan B” sprawia, że nawet po czasowym powrocie tlenu ekosystem długo nie wraca do poprzedniego stanu. Osady stają się rezerwuarem składników odżywczych, które przy pierwszej okazji ponownie trafią do kolumny wody.

Wpływ martwych stref na rybołówstwo i gospodarkę

Skutki hipoksji odczuwają bezpośrednio społeczności zależne od morza. Dla rybołówstwa martwe strefy oznaczają:

• spadek dostępności ryb dennych – dorsze, flądry czy sieje, które żerują przy dnie, tracą siedliska i pokarm;
• przemieszczanie się stad – ryby uciekają w kierunku lepiej natlenionych wód, często dalej od wybrzeża, co zwiększa koszty połowów;
• gwałtowne, lokalne śnięcia – silny, krótkotrwały epizod hipoksji może zniszczyć cały rocznik narybku w ujściu rzeki, przekładając się na mniejsze połowy w kolejnych latach.

Dla turystyki konsekwencje też są widoczne: nieprzyjemny zapach siarkowodoru, brudna, „zakwitnięta” woda, gnijące glony wyrzucane na plaże. W skrajnych przypadkach kąpieliska są zamykane, a lokalne biznesy odczuwają wyraźny spadek dochodów.

Czy martwe strefy wpływają na globalną produkcję tlenu?

Znaczenie martwych stref dla globalnego bilansu tlenu

W skali planety nawet rozległe hipoksyjne baseny to wciąż niewielki ułamek całkowitej objętości oceanu. Z tego powodu nie „wyłączają” one globalnej fabryki tlenu. Fitoplankton produkuje go przede wszystkim w dobrze oświetlonej warstwie powierzchniowej, która zwykle pozostaje natleniona. Martwe strefy działają więc raczej jak lokalne pułapki tlenu i węgla niż jak globalny wyłącznik.

To jednak nie znaczy, że można je zignorować. Ograniczenie wymiany gazów i zmiana chemizmu przydennych wód modyfikuje regionalny bilans tlen–węgiel–azot. W niektórych szelfowych morzach dopływ tlenu w głąb jest tak silnie zablokowany, że każdy epizod eutrofizacji pogłębia zaleganie węgla organicznego w osadach. W dłuższej perspektywie wpływa to na to, ile materii jest „zamykane” w dnie, a ile wraca do obiegu jako CO₂ lub N₂O.

Najważniejszy jest więc pośredni efekt: martwe strefy zmieniają sposób, w jaki ocean reguluje skład atmosfery. Zamiast spokojnego pochłaniania i magazynowania części dwutlenku węgla w głębokich warstwach, większa część krąży w płytkich, dynamicznych strefach przybrzeżnych, gdzie jest podatna na szybki powrót do powietrza.

Czy ocean może „przestać” produkować tlen?

Produkcja tlenu w oceanie zależy przede wszystkim od światła, składników odżywczych i temperatury. Martwe strefy wpływają na ten mechanizm z kilku stron naraz:

• tworząc przewagę prostych, oportunistycznych glonów, które w krótkim czasie produkują dużo biomasy, ale system staje się bardziej podatny na załamania i nagłe spadki produkcji pierwotnej;
• przesuwając część produkcji w stronę mikroorganizmów i bakterii, które szybciej rozkładają materię, więc większy fragment „wyprodukowanego” tlenu jest natychmiast zużywany;
• powodując straty w siedliskach roślinności przybrzeżnej (łąki trawy morskiej, lasy mangrowe), które lokalnie są bardzo wydajnymi producentami tlenu.

Żeby ocean globalnie przestał produkować tlen, potrzebne byłoby załamanie światowej produkcji fitoplanktonu, a nie tylko lokalne epizody hipoksji. Taki scenariusz oznaczałby zupełnie inny, skrajnie przekształcony klimat i skład chemiczny wód. Dzisiejsze martwe strefy są raczej sygnałem, że w niektórych regionach system dochodzi do granic swojej pojemności buforowej.

Jak zmierzyć „ile tlenu produkuje ocean”?

Szacunki udziału oceanu w światowej produkcji tlenu – często podawane jako około połowa lub więcej – wynikają z połączenia kilku metod badawczych. Nie da się po prostu „postawić licznika” na całym oceanie, dlatego naukowcy korzystają z różnych przybliżeń.

Pomiary satelitarne i modele produkcji pierwotnej

Orbity satelitów pozwalają śledzić kolor oceanu, który zależy m.in. od zawartości chlorofilu w wodzie. Z tych danych, łączonych z informacjami o nasłonecznieniu, temperaturze i mieszaniu wód, powstają mapy produkcji pierwotnej – czyli tempa, z jakim fitoplankton wiąże węgiel w procesie fotosyntezy.

Na tej podstawie oblicza się, ile CO₂ zostało przekształcone w materię organiczną. Zakładając znany stosunek między fotosyntezą a wydzielaniem tlenu, można oszacować, ile O₂ zostało wytworzone. To nadal przybliżenie, obarczone błędami, ale daje wiarygodne wielkości w skali globalnej.

Badania bezpośrednie w kolumnie wody

Na jednostkowej skali – jednego fiordu, zatoki czy fragmentu szelfu – wykorzystuje się bardziej klasyczne pomiary:

• inkubacje butelkowe – próbki wody z fitoplanktonem inkubuje się w różnych warunkach oświetlenia; porównując zmiany stężenia tlenu i CO₂, wylicza się tempo fotosyntezy i oddychania;
• profilowania czujnikami tlenu na linach, bojach i robotach podwodnych, które rejestrują, jak zmienia się stężenie O₂ w czasie i przestrzeni;
• analizę izotopową (np. O₂ i N₂), pozwalającą odróżnić tlen pochodzący z fotosyntezy od tego wprowadzanego z atmosfery.

Dane z takich punktowych badań trafiają potem do modeli numerycznych, które próbują odtworzyć pełny obraz wymiany gazów między oceanem a atmosferą. W miejscach, gdzie rozwijają się martwe strefy, pomiary są szczególnie ważne, bo tam różnica między produkcją a zużyciem tlenu jest największa.

Jak ograniczyć rozszerzanie się martwych stref?

Skala problemu może sugerować bezradność, ale wiele regionów przybrzeżnych pokazało, że odpowiednie działania potrafią zmniejszyć rozmiary i intensywność hipoksji. Klucz leży w ograniczeniu dopływu materii organicznej i biogenów oraz w poprawie cyrkulacji wód.

Redukcja spływu biogenów z lądu

Największy potencjał tkwi w lądzie. W basenach rzecznych, które „dokarmiają” martwe strefy, stosuje się zestaw dobrze znanych narzędzi:

• precyzyjne nawożenie – dopasowanie dawek i terminów aplikacji nawozów do potrzeb upraw, tak by nadmiar azotu i fosforu nie był wypłukiwany przez deszcze;
• strefy buforowe nad ciekami i jeziorami – pasy roślinności (zadrzewienia, łąki) między polem a wodą, które zatrzymują część biogenów i osadów;
• retencja krajobrazowa – małe zbiorniki, mokradła, odtwarzanie terenów zalewowych, które spowalniają spływ i dają czas na biologiczne „przetrawienie” nadmiaru składników odżywczych;
• modernizacja oczyszczalni ścieków – szczególnie w zakresie usuwania związków azotu i fosforu, a nie tylko materii organicznej.

W praktyce dobrze widać to w zlewniach dużych rzek. Tam, gdzie rolnicy przeszli na bardziej oszczędne nawożenie i wprowadzono pasy zieleni wzdłuż cieków, stężenia azotu i fosforu w wodzie potrafią spaść w ciągu kilku–kilkunastu lat.

Lepsze zarządzanie strefą przybrzeżną

Bezpośrednio na wybrzeżu i w ujściach rzek liczą się rozwiązania, które ograniczają lokalne „dawki” materii organicznej i poprawiają mieszanie wód:

• rozproszenie wylotów ścieków i ich odprowadzanie w głąb morza, zamiast koncentrowania ładunku w jednym punkcie blisko brzegu;
• regulacje branży akwakultury – ograniczenie zagęszczenia ryb w klatkach, rotacja lokalizacji farm, lepsze zarządzanie paszą;
• ochrona lub odtwarzanie przybrzeżnych mokradeł, łąk trawy morskiej i lasów mangrowych, które działają jak filtry zatrzymujące biogeny i osady;
• planowanie przestrzenne wybrzeża tak, by nie zamykać naturalnych kanałów wymiany wody (np. ograniczanie sztucznych przegrodzeń zatok).

Nawet drobne ingerencje, jak usunięcie fragmentu przegrody czy otwarcie dodatkowego kanału wymiany wody, potrafią zmniejszyć czas zalegania przydennych mas wodnych w małych zatokach i portach.

Adaptacja do zmian klimatu

Hipoksja będzie się nasilać w cieplejszym świecie, nawet przy stałym ładunku biogenów. Dlatego obok ich redukcji potrzebne są działania zwiększające odporność ekosystemów na epizody niedotlenienia:

• ochrona ostoi bioróżnorodności – rezerwaty morskie, w których ogranicza się przełowienie i niszczenie dna, dzięki czemu zespoły organizmów są bardziej zróżnicowane i elastyczne;
• monitoring on-line tlenu i temperatury – sieć automatycznych boi i czujników, które pozwalają prognozować epizody hipoksji i np. czasowo zamykać połowy lub przesuwać klatki akwakultury;
• włączanie scenariuszy klimatycznych do planowania gospodarczego w regionach zależnych od rybołówstwa i turystyki.

W niektórych ujściach rzek łączone systemy ostrzegawcze działają już jak prognoza pogody: lokalni rybacy dostają komunikaty o przewidywanym spadku tlenu i mogą zdecydować, czy opłaca się wypływać w morze.

Jak każdy z nas może ograniczyć presję na tlen w oceanie?

Choć martwe strefy wydają się odległe, część presji powstaje na zwykłym podwórku: w domowej kuchni, ogrodzie czy przy wyborze środka transportu. Kilka prostych wyborów przekłada się na mniejszy dopływ biogenów i emisji gazów cieplarnianych.

• mniej marnowania żywności – każda wyrzucona porcja to energia, nawozy i emisje, które zasiliły produkcję; im mniej marnotrawstwa, tym mniejsza presja na intensywne rolnictwo;
• rozsądne stosowanie nawozów w przydomowych ogrodach – unikanie przenawożenia, stosowanie kompostu zamiast dużych dawek nawozów mineralnych;
• wybory żywieniowe – ograniczenie produktów wymagających szczególnie intensywnego nawożenia i pasz, wsparcie certyfikowanych, bardziej zrównoważonych form produkcji rolnej i rybnej;
• zmniejszanie własnego śladu węglowego (transport, energia, ogrzewanie) – mniej CO₂ w atmosferze to wolniejsze ocieplanie się wód i łagodniejsza stratyfikacja.

Te działania nie „uratą” Bałtyku czy Zatoki Meksykańskiej w pojedynkę, ale skala konsumpcji w krajach uprzemysłowionych jest na tyle duża, że zsumowane wybory przekładają się na realną zmianę presji na lądowe systemy produkcji żywności – a przez nie na dopływ biogenów do rzek i mórz.

Przyszłość tlenu w oceanie – co mówią prognozy?

Modele klimatyczne i oceanograficzne zgodnie przewidują dalszy spadek zawartości tlenu w wodach morskich w XXI wieku. Składa się na to kilka zjawisk: ocieplanie powierzchni, wzmocnienie stratyfikacji, zmiany w cyrkulacji wielkoskalowej oraz – w wielu regionach – ciągły dopływ biogenów z lądu.

Scenariusze różnią się szczegółami, ale wskazują, że:

• obszar stref o obniżonym stężeniu tlenu będzie się rozszerzał, zwłaszcza w tropikach i subtropikach;
• sezonowe martwe strefy na szelfach mogą trwać dłużej w roku i sięgać większych głębokości;
• w niektórych morzach śródlądowych, jak Bałtyk, okna czasowe z dobrze natlenioną wodą przy dnie mogą stawać się coraz rzadsze.

Od tego, jak szybko ograniczona zostanie globalna emisja gazów cieplarnianych i dopływ biogenów, zależy, czy zmiany pozostaną na poziomie trudnej, ale możliwej do opanowania adaptacji, czy też doprowadzą do trwałej przebudowy wielu ekosystemów przybrzeżnych – w kierunku bardziej ubogich, silnie zdominowanych przez mikroorganizmy i mniej zdolnych do stabilnej produkcji tlenu oraz magazynowania węgla.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Ile procent tlenu na Ziemi produkuje ocean?

Szacuje się, że ocean produkuje od 50 do nawet 80% tlenu znajdującego się w atmosferze. Oznacza to, że co najmniej co drugi nasz oddech zawdzięczamy organizmom morskim, głównie mikroskopijnemu fitoplanktonowi.

Udział ten nie jest stały, bo zależy m.in. od temperatury, dostępności składników odżywczych i intensywności fotosyntezy w różnych rejonach świata. Globalnie jednak ocean jest głównym producentem tlenu na planecie.

Dlaczego mówi się, że ocean jest „płucami Ziemi”, a nie lasy Amazonii?

Puszcza Amazońska rzeczywiście produkuje dużo tlenu, ale większość zużywa na miejscu – przez oddychanie roślin i rozkład martwej materii organicznej. Jej bilans tlenu jest bliski zeru, czyli w skali roku produkuje mniej więcej tyle, ile sama skonsumuje.

W oceanie jest inaczej: znaczna część tlenu wytwarzanego przez fitoplankton nie jest od razu zużywana lokalnie i może uciekać do atmosfery, zasilając globalny obieg. Dlatego to właśnie ocean pełni rolę faktycznych „płuc Ziemi”.

Co to jest martwa strefa w oceanie i dlaczego brakuje w niej tlenu?

Martwa strefa to obszar w morzu lub oceanie, gdzie zawartość tlenu rozpuszczonego spada do bardzo niskich wartości (zwykle poniżej 2 mg O₂/l), a w skrajnych przypadkach do zera. Większość większych organizmów, jak ryby czy skorupiaki, nie jest w stanie tam przetrwać.

Do powstawania martwych stref prowadzi zaburzony bilans: zużycie tlenu (oddychanie i rozkład materii organicznej) jest większe niż jego produkcja i dopływ z zewnątrz. Często zaczyna się od masowego zakwitu fitoplanktonu spowodowanego dopływem nadmiaru biogenów z lądu (np. nawozów), po którym ogromna ilość martwej biomasy opada na dno i jest intensywnie rozkładana przez bakterie, pochłaniając tlen.

Jakie organizmy morskie produkują najwięcej tlenu?

Najwięcej tlenu w oceanie produkuje fitoplankton – mikroskopijne glony unoszące się w warstwie wody oświetlonej słońcem. Choć pojedyncze komórki są niewidoczne gołym okiem, ich liczba jest tak ogromna, że mają kluczowe znaczenie dla globalnej produkcji tlenu.

W mniejszym stopniu tlen produkują także makroglony (np. brunatnice tworzące lasy kelpowe) oraz rośliny morskie, takie jak łąki trawy morskiej. Ich rola jest szczególnie ważna lokalnie – przybrzeżne ekosystemy roślinne często tworzą „wyspy” wysokiej produkcji tlenu i magazynowania węgla.

Jak naukowcy mierzą, ile tlenu produkuje ocean?

Nie da się bezpośrednio zliczyć wszystkich cząsteczek tlenu powstających w oceanie, dlatego używa się kombinacji metod. Najważniejsze z nich to:

• pomiary stężenia tlenu rozpuszczonego w wodzie specjalnymi sondami na różnych głębokościach,
• pomiary fluorescencji chlorofilu z satelitów i boi, pozwalające oszacować ilość fitoplanktonu,
• eksperymenty butelkowe, w których porównuje się zmiany stężenia tlenu w próbkach wody w świetle i w ciemności,
• modele biogeochemiczne, łączące dane o świetle, temperaturze, prądach i składnikach odżywczych.

Te różne podejścia wzajemnie się uzupełniają, dając spójny obraz: ocean jest dominującym producentem tlenu na Ziemi, ale lokalnie może być też silnym jego „konsumentem”.

Dlaczego w niektórych miejscach oceanu produkuje się dużo tlenu, a w innych prawie wcale?

Produkcja tlenu zależy od warunków środowiskowych: światła, ilości składników odżywczych, temperatury i mieszania wody. Najwięcej tlenu powstaje w strefach upwellingu (gdzie na powierzchnię wynoszone są żyzne wody głębinowe), na szelfach kontynentalnych oraz w strefach umiarkowanych w okresach sezonowych zakwitów planktonu.

Z kolei otwarty, błękitny ocean w strefach tropikalnych, mimo dużej ilości światła, jest często ubogi w składniki odżywcze i przypomina „pustynię” biologiczną. Tam fotosynteza i produkcja tlenu są zaskakująco niskie.

Jak głęboko w oceanie powstaje tlen i co to jest głębokość kompensacyjna?

Tlen jest produkowany głównie w strefie eufotycznej, czyli takiej warstwie wody, do której dociera wystarczająco dużo światła do fotosyntezy. W przejrzystych wodach tropikalnych może sięgać ona 100–200 m, w wodach przybrzeżnych zwykle 20–50 m, a w bardzo mętnych – zaledwie kilka metrów.

Głębokość kompensacyjna to granica, poniżej której fotosynteza nie nadąża za oddychaniem organizmów. Powyżej tej głębokości produkcja tlenu netto jest dodatnia, a poniżej – dominuje jego zużycie. W mętnych, zanieczyszczonych wodach granica ta leży płycej, co sprzyja powstawaniu warstw ubogich w tlen i martwych stref.

Kluczowe obserwacje

• Ocean jest główną „fabryką tlenu” na Ziemi – organizmy morskie, głównie fitoplankton, wytwarzają około 50–80% tlenu obecnego w atmosferze.
• Puszcza Amazońska i inne lasy tropikalne mają niemal zerowy bilans tlenu, ponieważ większość wyprodukowanego O2 same zużywają; w przeciwieństwie do nich ocean oddaje dużą część tlenu do atmosfery.
• Produkcja tlenu w oceanie jest bardzo nierównomierna – najwyższa w strefach upwellingu, na szelfach kontynentalnych i w obszarach sezonowych zakwitów planktonu, a niska w „pustyniach” oceanicznych ubogich w składniki odżywcze.
• Bilans tlenowy zależy od relacji między fotosyntezą a zużyciem tlenu na oddychanie, rozkład materii organicznej i reakcje chemiczne; tam, gdzie zużycie przewyższa produkcję, powstają obszary deficytu tlenu, w tym martwe strefy.
• Fitoplankton produkuje tlen dzięki fotosyntezie w strefie eufotycznej (dobrze oświetlonej warstwie wody), a nadwyżka tlenu może przenikać do wyższych warstw oceanu i atmosfery.
• Do badania produkcji tlenu w oceanie wykorzystuje się zestaw uzupełniających się metod: pomiary stężenia tlenu, fluorescencji chlorofilu, eksperymenty butelkowe oraz modele biogeochemiczne.