Zuurstof is niet altijd in onze atmosfeer aanwezig geweest. Van circa 2,4 tot 2,1 miljard jaar geleden is volgens onze kennis van het geologische verleden de concentratie in de atmosfeer sterk toegenomen, een gebeurtenis die bekend staat als de “Great Oxidation Event” of “Great Oxygenation Event”. Dit alles dankzij het leven dat de fotosynthese had ontdekt.
Bij fotosynthese wordt, gebruik makend van zonne-energie, CO2 omgezet in complexere koolstofverbindingen die als voedsel dienen voor andere soorten leven. In de biologie heet dit vastleggen van koolstof in organische verbindingen (bijv. zetmeel) de koolstofassimilatie. Het ‘verbranden’ van deze verbindingen vindt zowel plaats door plantaardig als dierlijk leven. Een deel van de koolstofverbindingen die in het verre verleden zijn onttrokken aan deze cyclus van vastleggen en verbranden, vormen de fossiele grondstoffen zoals aardolie, kolen en gas. Ons verbruik van deze grondstoffen door verbranding en de daaraan gerelateerde stijging van de broeikasgasconcentraties in de atmosfeer heeft – zoals bekend – een duidelijk merkbare invloed op onze leefwereld: een oplopende temperatuur, smeltende ijskappen en een stijging van het zeeniveau. Minder bekend is dat ons stookgedrag ook van invloed is op het zuurstofgehalte in de atmosfeer en in de oceanen.
Wie een beetje heeft opgelet op de middelbare school, weet dat bij het verbranden van koolstofverbindingen CO2 en water ontstaan. Bij dit verbrandingsproces (of oxidatie) wordt zuurstof verbruikt. Logischerwijs zou je dus zeggen dat het verbranden van olie, gas of kolen moet leiden tot een toename van de CO2-concentratie in de atmosfeer en dat tegelijkertijd de zuurstofconcentratie evenredig zou moeten dalen.
Beide zijn dan ook waargenomen, zie de grafiek in figuur 1. Interessant in deze figuur is ook de invloed van de seizoenen. Tijdens de wintermaanden neemt de CO2-concentratie toe (groene lijnen) om in de zomermaanden weer af te nemen als de planten en bomen weer groeien. Deze verandering zie je in omgekeerde vorm terug bij de zuurstofconcentratie in de atmosfeer (blauwe lijnen). Deze seizoensinvloed is groter voor het noordelijk halfrond dan voor het zuidelijk halfrond, doordat het landoppervlakte op het noordelijk halfrond veel groter is en er daar dus ook meer bomen en planten aanwezig zijn.
De daling van de zuurstofconcentratie in de atmosfeer hoeft niet tot paniek te leiden, we kunnen ook in de toekomst gewoon doorgaan met rustig ademhalen. Sinds de industriële revolutie hebben we door al ons gestook de hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer met circa 0,1% doen dalen. Zelfs als we straks alles opstoken wat we redelijkerwijs uit de bodem kunnen halen, laten we daarmee de hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer hooguit met enkele procenten dalen. De laatste metingen aan het zuurstofgehalte in de atmosfeer voor verschillende meetstations zijn o.a. bij een speciale website van het Scripps instituut te bekijken: Scripps O2 Program.
Het water van de oceanen bevat dus zuurstof in opgeloste vorm. Deze oplosbaarheid neemt af als de temperatuur van het water toeneemt en is lager voor zout water dan voor zoet water. Je voelt ’m al aankomen: door klimaatverandering worden de oceanen warmer en daardoor zal het zuurstofgehalte van het zeewater logischerwijs afnemen.
Er spelen echter ook nog andere processen een rol zoals een toenemende gelaagdheid (of stratificatie), biologische effecten (aanmaak en consumptie van zuurstof) en veranderingen in de oceaancirculatie. De toenemende gelaagdheid is een gevolg van het sneller opwarmen van het oppervlaktewater dan het onderliggende koudere diepe water. Warm water heeft een geringere dichtheid en drijft als het ware op een koude, dichtere onderlaag. Hierdoor zal het mixen van het zuurstofrijke water aan het oppervlak met zuurstofarmer water op grotere diepte verminderen.
Dit jaar zijn er enkele studies verschenen over het zuurstofgehalte in de oceanen, eentje van Schmidtko et al. en eentje van Ito et al.. De resultaten van beide studies zijn ongeveer hetzelfde, ze rapporteren allebei een afname van het zuurstofgehalte in de oceanen van circa 2% sinds 1960. Als je hun data omrekent naar tonnen zuurstof komen daar, door de enorme hoeveelheid water in de oceanen, indrukwekkende getallen uit: Schmidtko rapporteert bijv. een afname van 961 Teramol O2 per decennium, circa 15 miljard ton O2 als ik me niet vergis. De twee tekeningen in figuur 2 geven het zuurstofgehalte in de oceanen weer en de verandering daarin sinds 1960 volgens Schmidtko e.a.
Een afname van het zuurstofgehalte in de oceanen kan negatieve gevolgen hebben voor het leven in de oceanen. Als het zuurstofgehalte beneden een bepaalde ondergrens komt, kunnen allerlei levende wezens er simpelweg niet meer in voortbestaan.
Deze ondergrens verschilt per soort, zie figuur 3. De gebieden met een lage zuurstofconcentratie duidt men aan met de termen hypoxic (< 60-80 µmol O2 per kg) en suboxic (< 5 µmol O2 per kg). Gebieden waar de zuurstofconcentratie naar nul is gedaald noemt men anoxic. In het geologische verleden van de aarde zijn er diverse perioden geweest waarbij grote delen van de oceanen zuurstofloos waren geworden, deze gebeurtenissen noemt men Oceanic Anoxic Events. Volgens Jenkyns 2010 zijn die veelal gepaard gegaan met een sterke stijging van de temperatuur, geïnduceerd door een snelle stijging van de CO2-concentratie in de atmosfeer door vulkanische en/of methaan-gerelateerde bronnen.
Voor de komende eeuw wordt door het IPCC een verdere daling van het zuurstofgehalte in de oceanen verwacht van circa 1,5 tot 4% (AR5 hfdst. 6.4.5). Uiteraard verschilt dat per emissiescenario, zie figuur 4. Er is geen consensus of het totale volume van de gebieden in de oceanen waar het zuurstofgehalte laag of heel laag is, zal toenemen. In IPCC-taal wordt dat dan mooi omschreven als “as likely as not”.
Meer metingen goed verspreid over de oceanen en betere modellen kunnen ons in de toekomst hopelijk uitsluitsel over deze toch belangrijke zaak geven.
De afname van het zuurstofgehalte in het zeewater, aangeduid met de term Ocean Deoxygenation, is echter niet de enige chemische verandering die de ecosystemen in de oceanen te wachten staat. Er is ook nog zoiets als de oceaanverzuring, ook een gevolg van onze CO2-productie.
Hieronder nog een mooie uitleg over Ocean Deoxygenation, gegeven door een onderzoekster van het Scripps Institution of Oceanography.
Dit blogstuk is eerder gepubliceerd op het blog Klimaatverandering.
