Verteilung von Extremereignissen an der Meeresoberfläche. Visualisierung: Gruber et al. Nature 2021©Bild: ETH Zürich

Verteilung von Extremereignissen in 200 Metern Meerestiefe. Verteilung von Extremereignissen in 200 Metern Meerestiefe ©Bild: ETH Zürich

ETH Zürich: Klimawandel verstärkt Extreme auch in den Ozeanen

(RK) Extremereignisse im Meer sind kaum erforscht. Anhand von Modellen zeigt eine von der ETH Zürich geleitete Studie erstmals, dass marine Hitzewellen und Extreme mit hohem Säurewert und Sauerstoffmangel auch gemeinsam auftreten können – mit derzeit kaum abschätzbaren Folgen für die Lebewesen im Meer.


Der menschgemachte Klimawandel wird immer stärker spürbar, in der Schweiz zuletzt durch den von Starkregen und Hochwasser geprägten Sommer 2021. Längst ist bekannt, dass die globale Erderwärmung nicht bloss für längere und intensivere Hitzeperioden sorgt, sondern je nach Region auch immer heftiger werdende Dürren, Regenfälle oder Stürme zur Folge hat. Solche Extremereignisse treten zudem öfter kombiniert auf.

Extremereignisse in Weltmeeren kaum erforscht
Wie sich Extremereignisse in den Weltmeeren entwickeln, ist hingegen kaum erforscht. Ab Anfang der 2000er Jahre verwiesen erste wissenschaftliche Studien auf die Bedeutung von Hitzewellen im Meer und deren Auswirkungen auf Ökosysteme. Ein Weckruf war eine marine Hitzewelle vor der Westküste Australiens im Jahre 2011, welche die dort vorkommenden, artenreichen Algenwälder unwiederbringlich zerstörte.

Das wohl prominenteste Beispiel einer Hitzewelle im Meer ist der sogenannte «Blob», eine riesige Warmwasser-Blase, die sich von 2013 bis 2015 im Nordost-Pazifik und entlang der US-Westküste von Alaska bis an den Äquator ausbreitete. Millionen von Seevögeln, Fischen und anderen Lebewesen starben daran. Forschende der ETH Zürich, der Universität Bern und der Universität von Tasmanien haben dieses Extremereignis mit einem hochaufgelösten Ozeanmodell aus einer neuen Perspektive untersucht. Das internationale Team unter der Leitung von Nicolas Gruber, Professor für Umweltphysik der ETH Zürich kommt zum Schluss, dass nicht nur die hohen Wassertemperaturen für das Massensterben verantwortlich waren, sondern wahrscheinlich eine Kombination von Extremereignissen, die gleichzeitig auftraten.

Kombinierte Extreme sind besonders gefährlich
Mit ihrem Modell haben die Forschenden den zeitlichen Verlauf des Blobs nachgestellt und dabei erstmals die Temperatur, den Säurewert (pH-Wert) und den Sauerstoffgehalt des Meerwassers gemeinsam untersucht. Die Computersimulationen zeigen, dass sich auf dem Höhepunkt der Hitzewelle im Juli 2015 in der betroffenen Region im Nordost-Pazifik auch ein extremer Säurewert und ein Sauerstoffmangel grossflächig ausgebreitet hatte.

In einigen Gebieten, etwa vor den Küsten von Oregon, Washington und British Columbia, ist demnach nicht bloss eine Hitzewelle, sondern ein kombiniertes Extremereignis aufgetreten, so das Fazit der ETH-Forschenden. «Wenn Meereslebewesen mit mehreren Stressfaktoren gleichzeitig konfrontiert werden, ist es für sie schwieriger, sich zu akklimatisieren», erklärt Nicolas Gruber. «Für eine Fischart, die bereits am oberen Ende ihres optimalen Temperaturbereichs lebt, kann zusätzlicher Sauerstoffmangel den Tod bedeuten.»

Augenmerk auf Verkettung legen
In ihrer soeben im Fachmagazin Nature erschienen Studie rufen die Forschenden deshalb dazu auf, kombinierten Extremereignissen im Meer mehr Beachtung zu schenken. «Um die Risiken solcher Ereignisse abzuschätzen, muss die Verkettung verschiedener Umweltfaktoren dringend besser untersucht werden – und zwar nicht nur bezogen auf Ereignisse in einzelnen Regionen, sondern auf globaler Ebene», so der ETH-Professor.

Erstmals globale Verteilung untersucht
Einen ersten Schritt in diese Richtung haben die Autorinnen und Autoren der vorliegenden Studie bereits gemacht. Zusätzlich zum Blob haben sie anhand eines globalen Klimamodells untersucht, wo und wie oft Extremereignisse – aufgetrennt in Hitzewellen und Situationen mit hohem Säurewert und Sauerstoffmangel – vorkommen und wie stark sie sind.

Verzehnfachung der Hitzetage
Um den Einfluss des Klimawandels aufzuzeigen, simulierten die Forschenden die Extremereignisse für die Zeitspanne von 1861 bis 2020 und verglichen diese Situation mit der vorindustriellen Zeit. Das Ergebnis ist deutlich: Weltweit hat sich die jährliche Zahl der Hitzetage an der Meeresoberfläche von rund vier auf 40 Tage verzehnfacht. Die Zahl der Tage mit Sauerstoffmangel in der Meerestiefe hat sich verfünffacht.

Bei Extremen mit hohem Säurewert ist die Situation noch gravierender. Hier hat sich im Vergleich mit der vorindustriellen Zeit schon fast eine permanente Extremsituation eingestellt. «Das zeigt auf, wie weit der Klimawandel im Ozean schon fortgeschritten ist», sagt Thomas Frölicher, Professor an der Universität Bern und Mitautor der Studie. Auf einer Weltkarte zeigen die Forschenden zudem, in welchen Meeresregionen die stärksten Extremereignisse vorkommen – und zwar sowohl an der Meeresoberfläche als auch in 200 Metern Tiefe. Die räumliche Auflösung der Ereignisse innerhalb der Wassersäule sei wichtig, weil die Ausweichmöglichkeiten betroffener Lebewesen dadurch weiter einschränkt sind, betonen die Studienautoren.

Über Artengemeinschaften im Meer ist wenig bekannt
Die ökologischen Folgen der Extremereignisse können die Forschenden allerdings nicht im Detail abschätzen. Klar ist, dass Extreme im Vergleich zum langsam fortschreitenden Klimawandel generell einen stärkeren Einfluss auf Meeresbewohner haben. Denn das plötzliche Auftreten der Umweltveränderungen verunmöglicht viele Formen der Anpassung. Simulationen können den Zustand der Meeres-Ökosysteme allerdings nur ansatzweise abbilden. Der Komplexität von biologischen und ökologischen Prozessen werden sie noch nicht gerecht. «Unsere Modelle unterscheiden beispielsweise äusserst beschränkt zwischen verschiedenen Algen- und Zooplanktonarten», sagt Meike Vogt, Wissenschaftlerin in der Gruppe von Gruber. Diese Differenzierung wäre aber wichtig, da sich verschiedene Arten in ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Extremen stark unterscheiden.

«Von Schweizer Wäldern wissen wir, dass die Buche Trockenheit weniger gut verträgt als zum Beispiel die Föhre», so der ETH-Professor Gruber. Über die Ökosysteme grosser Meeresregionen sei hingegen noch viel zu wenig bekannt. «Uns fehlt ein breitflächiges Wissen über die Artenzusammensetzung in den verschiedenen Meeresgebieten. Nur wenn wir diese Grundlage haben, können wir den Einfluss des Klimawandels und der Extreme bestimmen», sagt Vogt.

Die Zeit drängt
Eines jedoch ist klar: Schreitet der Klimawandel weiterhin so rasch voran, nehmen Extremereignisse – einzeln und in Kombination mit anderen – stark zu. Mit einer verbesserten Datengrundlage und intensiver Forschungsarbeit könnte man geeignetere Klimaschutzmassnahmen treffen. «Ähnlich wie auf hoher See bereits internationale Schutzgebiete bestehen, könnte man von Extremereignissen betroffene Gebiete durch ein Fischereiverbot schonen», so Gruber. Im Fall des Blobs wurde dies bereits gemacht. Ein Fischereiverbot alleine werde aber kaum ausreichen; weitere Massnahmen seien dringend nötig, betont der ETH-Professor. «Die Zeit drängt!»


So sind Extremereignisse im Meer verbreitet
Simulationen zeigen, dass an der Meeresoberfläche die stärksten Hitzewellen (rot) in den hohen Breiten und im Ostpazifik nahe dem Äquator auftreten (siehe Grafik links: Verteilung von Extremereignissen an der Meeresoberfläche). Die marinen Hitzewellen in den Tropen sind stark durch das El-Niño-Phänomen getrieben, das in unregelmässigen Abständen zu ausserordentlich warmen Bedingungen im Ostpazifik führt. Die Ereignisse mit extrem hohem Säurewert (blau) verteilen sich ähnlich, sind jedoch im Nordpazifik viel ausgeprägter als im Nordatlantik. Das hat damit zu tun, dass das Wasser im Pazifik generell einen etwas tieferen Säurewert hat und dadurch empfindlicher auf Veränderungen reagiert.

In 200 Metern Meerestiefe konzentrieren sich die Extremereignisse vorwiegend auf die Tropen (siehe Grafik links, Verteilung von Extremereignissen in 200 Metern Meerestiefe). Der Sauerstoffmangel (grün) im Tiefenwasser wird durch die erhöhten Wassertemperaturen an der Meeresoberfläche verstärkt, weil sich die Wasserschichten dadurch weniger gut durchmischen. Zudem zeigte sich auch in der Tiefe eine Tendenz für starke Extreme des Säurewertes (blau) im Nordpazifik.

Literaturhinweis
Gruber N, Boyd P, Frölicher T & Vogt M.: Biogeochemical extremes and compound events in the ocean >>. Nature December 15, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03981-7

Text: Rahel Künzler, ETH Zürich

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