La desoxigenación de los océanos es la reducción del contenido de oxígeno en diferentes partes del océano debido a las actividades humanas. [2] [3] Hay dos áreas donde esto ocurre. En primer lugar, ocurre en las zonas costeras donde la eutrofización ha provocado algunas disminuciones bastante rápidas (en unas pocas décadas) del oxígeno a niveles muy bajos. [2] Este tipo de desoxigenación de los océanos también se llama zonas muertas . En segundo lugar, la desoxigenación de los océanos también ocurre en el océano abierto. En esa parte del océano, actualmente hay una reducción continua en los niveles de oxígeno. Como resultado, las áreas naturales de bajo oxígeno (las llamadas zonas de mínimo oxígeno (OMZ)) ahora se están expandiendo lentamente. [4] Esta expansión está sucediendo como consecuencia del cambio climático causado por el hombre . [5] [6] La disminución resultante en el contenido de oxígeno de los océanos plantea una amenaza para la vida marina , así como para las personas que dependen de la vida marina para su nutrición o sustento. [7] [8] [9] Una disminución en los niveles de oxígeno del océano afecta la productividad del océano , cómo se mueven los nutrientes y el carbono y cómo funcionan los hábitats marinos . [10] [11]
A medida que los océanos se calientan, aumenta la pérdida de oxígeno en ellos. Esto se debe a que las temperaturas más cálidas aumentan la estratificación de los océanos . La razón de esto radica en las múltiples conexiones entre los efectos de densidad y solubilidad que resultan del calentamiento. [12] [13] Como efecto secundario, se reduce la disponibilidad de nutrientes para la vida marina, lo que agrega más estrés a los organismos marinos .
El aumento de las temperaturas en los océanos también provoca una menor solubilidad del oxígeno en el agua, lo que puede explicar aproximadamente el 50% de la pérdida de oxígeno en el nivel superior del océano (>1000 m). El agua oceánica más cálida retiene menos oxígeno y es más flotante que el agua más fría. Esto conduce a una menor mezcla del agua oxigenada cerca de la superficie con el agua más profunda, que naturalmente contiene menos oxígeno. El agua más cálida también aumenta la demanda de oxígeno de los organismos vivos; como resultado, hay menos oxígeno disponible para la vida marina. [14]
Los estudios han demostrado que los océanos ya han perdido entre un 1 y un 2 % de su oxígeno desde mediados del siglo XX [15] [16] y las simulaciones de modelos predicen una disminución de hasta un 7 % en el contenido global de O2 en los océanos durante los próximos cien años. Se proyecta que la disminución del oxígeno continuará durante mil años o más. [17]
Los organismos científicos internacionales han utilizado cada vez más el término desoxigenación de los océanos porque refleja la tendencia decreciente del inventario de oxígeno de los océanos del mundo. [2] Los oceanógrafos y otros han debatido qué frase describe mejor el fenómeno para los no especialistas. Entre las opciones consideradas se encuentran la asfixia oceánica [18] , la desoxigenación marina , el agotamiento del oxígeno oceánico y la hipoxia oceánica .
Existen dos tipos de desoxigenación oceánica, que tienen lugar en dos zonas diferentes y tienen causas diferentes: la reducción de oxígeno en las zonas costeras en comparación con el océano abierto y el océano profundo ( zonas de mínimo oxígeno ). [4] Estas están acopladas pero son diferentes.
En el océano abierto existen zonas naturales de bajo nivel de oxígeno que se están expandiendo lentamente. [5] Estas zonas de mínimo oxígeno oceánico (ZMO) se encuentran generalmente en las profundidades medias del océano, de 100 a 1000 m de profundidad. Son fenómenos naturales que resultan de la respiración de la materia orgánica que se hunde en la superficie del océano. Sin embargo, a medida que el contenido de oxígeno del océano disminuye, las zonas de mínimo oxígeno se están expandiendo tanto vertical como horizontalmente. [5] En estas zonas de bajo nivel de oxígeno la circulación del agua es lenta. Esta estabilidad significa que es más fácil ver cambios bastante pequeños en el oxígeno, como una disminución del 1-2%. En muchas de estas áreas, esta disminución no significa que estas regiones de bajo nivel de oxígeno se vuelvan inhabitables para los peces y otras formas de vida marina, pero con el paso de muchas décadas puede suceder, particularmente en el océano Pacífico e Índico. [20]
El oxígeno llega al océano por la superficie, a través de los procesos de fotosíntesis que realiza el fitoplancton y de su mezcla con la atmósfera. Los organismos, tanto microbianos como multicelulares, utilizan el oxígeno en la respiración en toda la profundidad del océano, por lo que cuando el aporte de oxígeno desde la superficie es menor que el uso de oxígeno en aguas profundas, se produce una pérdida de oxígeno.
Este fenómeno es natural, pero se ve exacerbado por el aumento de la estratificación y el aumento de la temperatura del océano . La estratificación se produce cuando masas de agua con diferentes propiedades, principalmente temperatura y salinidad , se superponen, con agua de menor densidad sobre agua de mayor densidad. Cuanto mayores sean las diferencias en las propiedades entre las capas, menos mezcla se produce entre las capas. La estratificación aumenta cuando aumenta la temperatura de la superficie del océano o la cantidad de agua dulce que ingresa al océano desde los ríos y el deshielo, lo que mejora la desoxigenación del océano al reducir el suministro. Otro factor que puede reducir el suministro es la solubilidad del oxígeno. A medida que aumentan la temperatura y la salinidad, la solubilidad del oxígeno disminuye, lo que significa que se puede disolver menos oxígeno en el agua a medida que se calienta y se vuelve más salada.
Si bien las zonas de mínimo oxígeno (ZMO) se producen de forma natural, pueden verse exacerbadas por impactos humanos como el cambio climático y la contaminación terrestre proveniente de la agricultura y las aguas residuales. La predicción de los modelos climáticos actuales y los escenarios de cambio climático es que se producirá un calentamiento sustancial y una pérdida de oxígeno en la mayor parte de la capa superior del océano. [21] El calentamiento global aumenta las temperaturas de los océanos, especialmente en las zonas costeras poco profundas. Cuando la temperatura del agua aumenta, su capacidad para retener oxígeno disminuye, lo que lleva a que las concentraciones de oxígeno disminuyan en el agua. [22] Esto agrava los efectos de la eutrofización en las zonas costeras descritas anteriormente.
Las áreas de océano abierto sin oxígeno han crecido más de 1,7 millones de millas cuadradas en los últimos 50 años, y las aguas costeras han visto un aumento de diez veces en áreas con bajo nivel de oxígeno en el mismo período. [23]
Las mediciones del oxígeno disuelto en aguas costeras y oceánicas abiertas durante los últimos 50 años han revelado una marcada disminución del contenido de oxígeno. [24] [16] [25] Esta disminución está asociada con la expansión de la extensión espacial, la expansión de la extensión vertical y la duración prolongada de las condiciones de escasez de oxígeno en todas las regiones de los océanos globales. Los exámenes de la extensión espacial de las ZMO en el pasado mediante métodos paleoceanográficos muestran claramente que la extensión espacial de las ZMO se ha expandido a través del tiempo, y esta expansión está asociada al calentamiento del océano y la ventilación reducida de las aguas de la termoclina. [26]
La investigación ha intentado modelar los cambios potenciales en las OMZ como resultado del aumento de las temperaturas globales y el impacto humano. Esto es un desafío debido a los muchos factores que podrían contribuir a los cambios en las OMZ. [27] Los factores utilizados para modelar el cambio en las OMZ son numerosos y, en algunos casos, difíciles de medir o cuantificar. [28] Algunos de los procesos que se están estudiando son los cambios en la solubilidad del gas oxígeno como resultado del aumento de las temperaturas del océano, así como los cambios en la cantidad de respiración y fotosíntesis que ocurren alrededor de las OMZ. [29] Muchos estudios han concluido que las OMZ se están expandiendo en múltiples ubicaciones, pero las fluctuaciones de las OMZ modernas aún no se comprenden completamente. [29] [28] [30] Los modelos existentes del sistema terrestre proyectan reducciones considerables en el oxígeno y otras variables físico-químicas en el océano debido al cambio climático , con posibles ramificaciones para los ecosistemas y los humanos.
La disminución global del contenido de oxígeno oceánico es estadísticamente significativa y emerge más allá de los límites de las fluctuaciones naturales. [24] Esta tendencia de pérdida de oxígeno se está acelerando, con pérdidas generalizadas y obvias que ocurren después de la década de 1980. [31] [24] La tasa y el contenido total de pérdida de oxígeno varía según la región, y el Pacífico Norte emerge como un punto crítico particular de desoxigenación debido a la mayor cantidad de tiempo desde que sus aguas profundas fueron ventiladas por última vez (ver circulación termohalina) y la alta utilización aparente de oxígeno (AOU) relacionada. [24] [16] Las estimaciones de la pérdida total de oxígeno en el océano global varían de 119 a 680 T mol década −1 desde la década de 1950. [24] [16] Estas estimaciones representan el 2% del inventario global de oxígeno oceánico. [25]
La fusión de los hidratos de gas en las capas inferiores del agua puede provocar la liberación de más metano de los sedimentos y el consiguiente consumo de oxígeno por la respiración aeróbica del metano a dióxido de carbono . Otro efecto del cambio climático en los océanos que provoca la desoxigenación oceánica son los cambios en la circulación. A medida que el océano se calienta desde la superficie, se espera que aumente la estratificación, lo que muestra una tendencia a ralentizar la circulación oceánica, lo que a su vez aumenta la desoxigenación oceánica. [11]
Los resultados de los modelos matemáticos muestran que las tasas de pérdida de oxígeno oceánico global continuarán acelerándose hasta 125 T mol año −1 para 2100 debido al calentamiento persistente, una reducción en la ventilación de aguas más profundas, una mayor demanda biológica de oxígeno y la expansión asociada de las OMZ en áreas menos profundas. [16]
Varias áreas del océano abierto tienen una concentración de oxígeno naturalmente baja debido al consumo biológico de oxígeno que no puede ser sostenido por la tasa de entrada de oxígeno al área proveniente del transporte físico, la mezcla aire-mar o la fotosíntesis. [25] Estas áreas se denominan zonas de mínimo oxígeno (OMZ, por sus siglas en inglés), y existe una amplia variedad de sistemas de océano abierto que experimentan estas condiciones de oxígeno naturalmente bajo, como zonas de surgencia, cuencas profundas de mares cerrados y los núcleos de algunos remolinos de agua modal. [25]
La desoxigenación de los océanos ha dado lugar a condiciones subóxicas, hipóxicas y anóxicas tanto en aguas costeras como en mar abierto. Desde 1950, más de 500 sitios en aguas costeras han informado concentraciones de oxígeno inferiores a 2 mg litro −1 , que generalmente se acepta como el umbral de las condiciones hipóxicas. [25]
La extensión de las ZMO se ha expandido en los océanos tropicales durante el último medio siglo. [28] [30] [32]
Las aguas pobres en oxígeno de los sistemas costeros y de océano abierto se han estudiado en gran medida de forma aislada, y los investigadores se han centrado en la hipoxia inducida por la eutrofización en las aguas costeras y en las ZMO de océano abierto que se producen de forma natural (sin un aporte directo aparente de nutrientes antropogénicos). Sin embargo, las aguas costeras y de océano abierto pobres en oxígeno están muy interconectadas y, por lo tanto, ambas han experimentado un aumento en la intensidad, la extensión espacial y la extensión temporal de las condiciones desoxigenadas. [33]
La extensión espacial de las condiciones desoxigenadas puede variar ampliamente. En aguas costeras, las regiones con condiciones desoxigenadas pueden extenderse desde menos de uno hasta muchos miles de kilómetros cuadrados. [25] Las ZMO de mar abierto existen en todas las cuencas oceánicas y tienen una variación similar en la extensión espacial; se estima que el 8% del volumen oceánico global se encuentra dentro de las ZMO. La ZMO más grande se encuentra en el Pacífico norte tropical oriental y comprende el 41% de este volumen global, [36] y la ZMO más pequeña se encuentra en el Atlántico norte tropical oriental y representa solo el 5% del volumen global de las ZMO. [20]
La extensión vertical de las condiciones de bajo oxígeno también es variable, y las áreas de bajo oxígeno persistente tienen una variación anual en los límites superior e inferior de las aguas pobres en oxígeno. [37] Por lo general, se espera que las OMZ se produzcan a profundidades de aproximadamente 200 a 1000 metros. El límite superior de las OMZ se caracteriza por un gradiente fuerte y rápido en la oxigenación, llamado oxiclina. [38] La profundidad de la oxiclina varía entre las OMZ y se ve afectada principalmente por procesos físicos como los flujos aire-mar y el movimiento vertical en la profundidad de la termoclina. [39] El límite inferior de las OMZ está asociado con la reducción en el consumo biológico de oxígeno, ya que la mayoría de la materia orgánica se consume y respira en los primeros 1000 m de la columna de agua vertical. Los sistemas costeros menos profundos pueden ver cómo las aguas pobres en oxígeno se extienden a las aguas del fondo, lo que lleva a efectos negativos en las comunidades bentónicas. [40]
Muchas ZMO persistentes han aumentado de espesor en las últimas cinco décadas. Esto ocurrió porque el límite superior de la ZMO se volvió menos profundo y también porque la ZMO se expandió hacia abajo. [5] [41]
La duración temporal de las condiciones de escasez de oxígeno puede variar en escalas estacionales, anuales o multidecenales. Las condiciones hipóxicas en sistemas costeros como el Golfo de México suelen estar vinculadas a las descargas de los ríos, la estratificación termohalina de la columna de agua, el forzamiento impulsado por el viento y los patrones de circulación de la plataforma continental. [42] Por lo tanto, existen patrones estacionales y anuales en el inicio, la persistencia y la ruptura de las condiciones de hipoxia intensa. [42] Las concentraciones de oxígeno en los océanos abiertos y los márgenes entre las áreas costeras y el océano abierto pueden experimentar variaciones en intensidad, extensión espacial y extensión temporal a partir de oscilaciones multidecenales en las condiciones climáticas. [43]
Las regiones costeras también han experimentado una expansión espacial y temporal debido al aumento de la entrada de nutrientes antropogénicos y a los cambios en la circulación regional. [44] Las áreas que antes no habían experimentado condiciones de bajo oxígeno, como la plataforma costera de Oregón en la costa oeste de los Estados Unidos, han desarrollado recientemente y de manera abrupta una hipoxia estacional. [45]
La desoxigenación de los océanos tiene implicaciones para la productividad oceánica , el ciclo de nutrientes , el ciclo del carbono y los hábitats marinos . [10] [11] Los estudios han demostrado que los océanos ya han perdido entre el 1 y el 2 % de su oxígeno desde mediados del siglo XX, [15] [16] y las simulaciones de modelos predicen una disminución de hasta el 7 % en el contenido global de O 2 del océano durante los próximos cien años. Se proyecta que la disminución del oxígeno continuará durante mil años o más. [17]
La desoxigenación de los océanos provoca la expansión de las zonas de mínimo oxígeno en los océanos. Junto con esto, la desoxigenación de los océanos se produce por un desequilibrio de las fuentes y sumideros de oxígeno en el agua disuelta. [11] El cambio ha sido bastante rápido y plantea una amenaza para los peces y otros tipos de vida marina, así como para las personas que dependen de la vida marina para su nutrición o sustento. [7] [46] [8] [9]
A medida que las zonas con bajo nivel de oxígeno se expanden verticalmente hacia la superficie, pueden afectar los sistemas de surgencia costera , como la Corriente de California en la costa de Oregón (EE. UU.). Estos sistemas de surgencia son impulsados por vientos estacionales que obligan a las aguas superficiales cercanas a la costa a desplazarse mar adentro, lo que arrastra aguas más profundas hacia arriba a lo largo de la plataforma continental . A medida que la profundidad de las aguas más profundas desoxigenadas se vuelve menor, una mayor cantidad de agua desoxigenada puede llegar a la plataforma continental, lo que causa hipoxia costera y muertes de peces. Se prevé que los impactos de las muertes masivas de peces en la industria de la acuicultura sean profundos. [47] [48]
La viabilidad de las especies se está viendo alterada en toda la red alimentaria oceánica debido a los cambios en la química oceánica . A medida que el océano se calienta, la mezcla entre las capas de agua disminuye, lo que da como resultado que haya menos oxígeno y nutrientes disponibles para la vida marina . [49]
Los efectos a corto plazo se pueden observar en circunstancias de muerte aguda, pero otras consecuencias subletales pueden incluir una capacidad reproductiva deteriorada, una reducción del crecimiento y un aumento de la población enferma. [50] Estos pueden atribuirse al efecto coestresante. Cuando un organismo ya está estresado, por ejemplo, recibiendo menos oxígeno del que preferiría, no le va tan bien en otras áreas de su existencia como la reproducción, el crecimiento y la prevención de enfermedades. [51] [52] Además, el agua más cálida no solo retiene menos oxígeno, sino que también hace que los organismos marinos tengan tasas metabólicas más altas, lo que hace que utilicen el oxígeno disponible más rápidamente, lo que reduce aún más la concentración de oxígeno en el agua y agrava los efectos observados. [21] Finalmente, para algunos organismos, la reducción del hábitat será un problema. Se espera que las zonas habitables en la columna de agua se compriman y se acorten las temporadas habitables. Si el agua en la que se encuentra el hábitat habitual de un organismo tiene concentraciones de oxígeno inferiores a las que puede tolerar, ya no querrá vivir allí. Esto conduce a cambios en los patrones de migración, así como a un cambio o reducción del área de hábitat. [21]
Los efectos a largo plazo se pueden observar en una escala más amplia de cambios en la biodiversidad y la composición de la red alimentaria. Debido al cambio de hábitat de muchos organismos, las relaciones depredador-presa se verán alteradas. Por ejemplo, cuando se los aprieta en un área más pequeña y bien oxigenada, las tasas de encuentro depredador-presa aumentarán, lo que provocará un aumento de la depredación , lo que podría ejercer presión sobre la población de presas. [50] Además, se espera que la diversidad de los ecosistemas en general disminuya debido a la disminución de las concentraciones de oxígeno. [51]
La expansión vertical de las ZMO tropicales ha reducido el área entre la ZMO y la superficie. [29] Esto significa que muchas especies que viven cerca de la superficie, como los peces, podrían verse afectadas periódicamente. Las investigaciones en curso están investigando cómo la expansión de las ZMO afecta las redes alimentarias en estas áreas. [29] Los estudios sobre la expansión de las ZMO en el Pacífico tropical y el Atlántico han observado efectos negativos en las poblaciones de peces y la pesca comercial que probablemente ocurrieron a partir de la reducción del hábitat cuando la ZMO se trasladó a una profundidad menor. [28] [53]
El comportamiento de un pez en respuesta a la desoxigenación del océano se basa en su tolerancia a las condiciones de escasez de oxígeno. Las especies con baja tolerancia anóxica tienden a sufrir una compresión del hábitat en respuesta a la expansión de las ZMO. [41] Las especies de peces con una baja tolerancia a las condiciones de bajo oxígeno pueden trasladarse a vivir más cerca de la superficie del océano, donde la concentración de oxígeno suele ser mayor. [54] Las respuestas biológicas a la compresión del hábitat pueden variar. Algunas especies de peces pico, depredadores pelágicos depredadores como el pez vela y el marlín, que han sufrido una compresión del hábitat, en realidad han aumentado su crecimiento desde que sus presas, peces pelágicos más pequeños, experimentaron la misma compresión del hábitat, lo que resultó en una mayor vulnerabilidad de las presas a los peces pico. [55] Los peces con tolerancia a las condiciones anóxicas, como el calamar gigante y el pez linterna, pueden permanecer activos en entornos anóxicos a un nivel reducido, lo que puede mejorar su supervivencia al aumentar la evitación de depredadores intolerantes a la anoxia y tener un mayor acceso a recursos a los que sus competidores intolerantes a la anoxia no pueden. [56] [57]
La relación entre el zooplancton y las zonas con bajo nivel de oxígeno es compleja y varía según la especie y la etapa de vida. Algunos zooplancton gelatinosos reducen sus tasas de crecimiento cuando se exponen a la hipoxia, mientras que otros utilizan este hábitat para alimentarse de altas concentraciones de presas sin que sus tasas de crecimiento se vean afectadas. [58] [56] [59] La capacidad de algunos zooplancton gelatinosos para tolerar la hipoxia puede atribuirse a la capacidad de almacenar oxígeno en regiones intragel. [60] Los movimientos del zooplancton como resultado de la desoxigenación del océano pueden afectar la pesca, el ciclo global del nitrógeno y las relaciones tróficas. Estos cambios tienen el potencial de tener grandes consecuencias económicas y ambientales a través de la sobrepesca o el colapso de las redes alimentarias.
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