Meire, L.

Open Marine Archive

De invloed van globale klimaatsverandering op hypoxia 
Meire Lorenz 
Mariene Biologie, Mariene en Lacustriene Wetenschappen (Marelac), Universiteit Gent, Campus De 
Sterre, s8, Krijgslaan 281, B-9000 Ghent, Belgium 
E-mail: lorenz.meire@ugent.be ; l.meire@nioo.knaw.nl 
De opgeloste zuurstofconcentratie in waterlichamen wordt bepaald door de balans tussen de 
consumptie (voornamelijk door biologische processen) en toevoer (hoofdzakelijk door fysisch 
transport van zuurstof) (Diaz, 2001; Middelburg en Levin, 2009. Als de zuurstofconcentratie door 
een onbalans tussen consumptie en toevoer onder de grenswaarde van 63μM (2mg.l-1) zakt, wordt 
het fenomeen hypoxia genoemd (Pena et al., 2010; Rabalais et al., 2010). Er wordt een onderscheid 
gemaakt tussen het verlies van zuurstof in de open oceaan en het voorkomen van lage 
zuurstofconcentraties in kustgebieden (Diaz and Rosenberg, 2008; Keeling et al., 2010). 
Veranderingen in de zuurstofconcentratie in de open oceaan worden voornamelijk gedreven door 
klimaatseffecten. Op deze manier zal ook klimaatverandering de zuurstofconcentratie in de open 
oceaan op verschillende manieren beïnvloeden. Warmere wateren leiden vooreerst tot een verlies 
van zuurstof door een verminderde oplosbaarheid. Zo voorspellen globale oceaanmodellen een 
afname van de globale zuurstofconcentratie met 1 tot 7% tegen het einde van deze eeuw (Keeling et 
al., 2010). Aan de andere kant leiden hogere watertemperaturen ook tot een versterkte stratificatie. 
Bijgevolg wordt het transport van zuurstof naar de diepere bodemlagen geblokkeerd (Conley et al., 
2009; Keeling et al., 2010; Pena et al., 2010; Rabalais et al., 2010). Een verhoogde 
watertemperatuur heeft bovendien ook een invloed op tal van biologische processen zoals de 
respiraie van organismen en  de mineralisatiesnelheid. Naast het verlies van zuurstof door fysische 
factoren leiden de voorspelde hogere temperaturen dus ook tot een hogere biologische 
zuurstofvraag (Conley et al., 2009).  
 
Maar naast een verandering in de watertemperatuur voorspellen klimaatsmodellen ook een 
verschuiving in de windpatronen en veranderingen in zowel de intensiteit en het moment waarop 
stormen voorkomen. Dit kan leiden tot een frequenter verbreken van stratificatie in de 
zomerperiode en zodoende tot een verhoogde aanvoer van zuurstof naar de bodemlagen. De 
deterministische trend tot een daling van de zuurstofconcentratie als gevolg van hogere 
watertemperaturen kan dus verbroken worden door frequentere stochastische wind events. Het 
netto-effect van klimaatsverandering op het verloop van de zuurstofconcentratie is een eerste 
onderzoeksvraag die in deze thesis onderzocht wordt.  
 
Daarnaast worden kustgebieden ook nog beïnvloed door een toenemende flux van nutriënten vanuit 
het land. Deze sterk toegenomen nutriëntenflux leidt tot een sterk toegenomen fotosynthese in de 
kustgebieden. Dit resulteert in een toegenomen transport van organisch materiaal naar de diepere 
waterlagen en het sediment en bijgevolg tot een hogere zuurstofvraag daar (Diaz and Rosenberg, 
2008; Conley et al., 2009). Deze toegenomen input van nutriënten ten gevolge van menselijke 
activiteiten zorgt sinds 1960 voor snelle veranderingen in de zuurstofconcentratie in 
kustecosystemen. Voor 1950 waren wereldwijd slechts een aantal gebieden aangetast door hypoxia. 
Dit aantal is toegenomen tot meer dan 400 op dit moment met een totaal oppervlak van meer dan 
245.000km2 (Diaz and Rosenberg, 2008; Zhang et al., 2010). Een tweede onderzoeksvraag in deze 
masterthesis is bijgevolg wat het belang is van nutriëntfluxen naar kustgebieden en zeker in 
combinatie met klimaatsverandering in de ontwikkeling van hypoxia.  
 
Om deze onderzoeksvragen te beantwoorden werd een één-dimensioneel model ontwikkeld dat 
zowel de fysische en biologische condities in de centrale Noordzee (Oestergronden) beschrijft. Er 
werd gekozen om de situatie in de Oestergronden (54°30’ N and 4°30’ E) te modelleren daar in het 
verleden daar reeds lage zuurstofconcentraties doch geen hypoxische zuurstofconcentraties 
gemeten werden (bijvoorbeeld een zuurstofconcentratie van 65μM in oktober 2003) (Weston et al., 
2008; Greenwood et al., 2010).  
 
In eerste instantie werd het ontwikkelde model gebruikt om de fysische watercondities in de 
Oestergronden voor het jaar 2007 te modelleren. Atmosferische simulaties afkomstig van het 
ECHAM5/MPI-OM klimaatsmodel voor de periode 2000-2010 werden gebruikt om de 
waterkarakteristieken (watertemperatuur en -menging) te berekenen met het fysisch “k-ε turbulence 
closure” model (Gaspar et al., 1990; Soetaert et al., 2001). Vervolgens werden de resultaten van dit 
fysisch model gebruikt om het gekoppeld pelagisch-benthisch model aan te drijven. In dit 
 - 3 -
gekoppeld model wordt het verloop van zuurstofconcentratie en een serie andere biochemische 
variabelen (bijvoorbeeld nitraat- en fytoplanktonconcentratie) berekend.  
De modeloutput van het ontwikkelde fysisch-biogeochemisch model werd vergeleken met de 
beschikbare CEFAS en rijkswaterstaat dataset voor het jaar 2007 van de Oestergronden. Validatie 
met deze data toont aan dat het model in staat is om zowel de fysische (zoals temperatuur) en 
biochemische factoren (waaronder de zuurstof) vrij accuraat te reproduceren. 
 
Na de validatie van het model voor het heden werd het model vervolgens gebruikt om een 
inschatting te maken van hoe de zuurstofconcentratie en voornamelijk het voorkomen van hypoxia 
zal evolueren in de toekomst (periode 2090-2100). De atmosferische simulaties, die het model 
aansturen, tonen aan dat de luchttemperatuur gemiddeld met 2.4°C zal toenemen in de centrale 
Noordzee tegen 2100. In de ECHAM5/MPI-OM simulaties blijkt de windsterkte echter niet significant 
te veranderen.   
 
Gebruikmakend van deze projecties van de atmosferische condities, tonen simulaties voor het 
fysisch model dat de watertemperatuur gemiddeld met 2.1°C zal toenemen tegen 2100. Verder 
neemt de periode waarin de waterkolom gestratifieerd is toe met tien dagen. Deze condities leiden 
ertoe dat het risico op hypoxia in de Noordzee zal toenemen in de toekomst. Gemiddeld voorspelt 
het model een afname van de zuurstofconcentratie met 17μM (7%). Deze afname kan toegewezen 
worden aan 3 verschillende factoren. Een eerste belangrijke factor is de verminderde oplosbaarheid 
van zuurstof bij hogere watertemperaturen. Daarnaast speelt ook de versterkte stratificatie ook een 
zeer belangrijke rol. Door het verlengen van de stratificatie met tien dagen zijn de bodemlagen 
langer geïsoleerd en zakt de zuurstofconcentratie bijgevolg tot lagere waarden.  Tot slot kan een 
klein gedeelte van de lagere zuurstofconcentratie in de bodemlagen toegewezen worden aan een 
versnelde koolstofkringloop wat leidt tot een verhoogde biologische zuurstofvraag. 
 
Naast het effect van klimaatsverandering werd ook het effect van eutrofiëring onderzocht. Simulatie 
tonen een duidelijke link tussen een hogere pelagische stikstofconcentratie en het voorkomen van 
lagere zuurstofconcentratie in de bodemlagen. Het model toont aan dat door een combinatie van 
natuurlijke variatie in de stikstofconcentratie en ongustige atmosferische condities reeds nu al in de 
Oestergronden lage zuurstofconcentraties kunnen voorkomen. Deze bevinding werd ook in praktijk 
geobserveerd zoals bijvoorbeeld in oktober 2003 waar bijna hypoxische zuurstofconcentraties 
werden gemeten na een zeer warme zomer. Dit leidt ertoe dat in de toekomst in combinatie met 
klimaatsverandering de probabiliteit van een hypoxisch event vermoedelijk sterk zal toenemen. Dit 
toont aan dat het in de toekomst belangrijk zal zijn om de nutriëntfluxen nog beter te controleren 
om er zo zeker van te zijn dat onder een combinatie van klimaatsverandering en hoge 
nutriëntconcentraties geen hypoxia optreedt in de centrale Noordzee.  
 
Referenties 
Conley D., J. Carstensen, R. Vaquer-Sunyer and C. Duarte. 2009. Ecosystem thresholds with hypoxia. 
Hydrobiologia 629:21-29. 
Diaz R. 2001. Overview of hypoxia around the world. Journal of Environmental Quality 30:275. - 
Diaz R. and R. Rosenberg. Spreading dead zones and consequences for marine ecosystems. Science 
321:926.  
Gaspar P., Y. Grégoris and J. Lefevre. 1990. A simple eddy kinetic energy model for simulations of 
the oceanic vertical mixing: tests at station papa and long-term upper ocean study site. Journal 
of Geophysical Research 95:16179. 
Greenwood N., E. Parker, L. Fernand, D. Sivyer, K. Weston, S. Painting, S. Kröger, R. Forster, H. Lees, 
and D. Mills. 2010. Detection of low bottom water oxygen concentrations in the North Sea. 
Implications for monitoring and assessment of ecosystem health. Biogeosciences 7:1357-1373.  
Keeling R., A. Körtzinger and N. Gruber. 2010. Ocean deoxygenation in a warming world. Ann. Rev. 
Mar. Sci. 2:199-229. 
Middelburg J. and L. Levin. 2009. Coastal hypoxia and sediment biogeochemistry. Biogeosciences 
6:1273-1293.  
Pena M., S. Katsev, T. Oguz and D. Gilbert. 2010. Modeling dissolved oxygen dynamics and hypoxia. 
Biogeosciences 7:933-957. 
Rabalais N., R. Diaz, L. Levin, R. Turner, D. Gilbert and J. Zhang. 2010. Dynamics and distribution of 
natural and human-caused hypoxia. Biogeosciences 7:585-619.  
 - 4 -
Soetaert K., P. Herman, J. Middelburg, C. Heip, C. Smith, P. Tett and K. Wild-Allen. 2001. Numerical 
modelling of the shelf break ecosystem: reproducing benthic and pelagic measurements. Deep 
Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography 48:3141-3177.  
Weston K., L. Fernand, J. Nicholls, A. Marca-Bell, D. Mills, D. Sivyer and M. Trimmer. 2008. 
Sedimentary and water column processes in the oyster grounds: a potentially hypoxic region of 
the North Sea. Marine Environmental Research 65:235-249.  
Zhang J., D. Gilbert, A. Gooday, L. Levin, S. Naqvi, J. Middelburg, M. Scranton, W. Ekau, A. Pena and 
B. Dewitte. 2010. Natural and human-induced hypoxia and consequences for coastal areas: 
synthesis and future development. Biogeosciences 7:1443-1467. 
 - 5 -


De invloed van globale klimaatsverandering op hypoxia

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Open Marine Archive