Marine Hitzewellen in tieferem Wasser länger und intensiver als an Oberfläche

„Die Schlussfolgerung dieser Studie, dass die oberen 250 Meter des Wassers in den Meeren am stärksten von marinen Hitzewellen betroffen sind und sein werden, ist richtig und deckt sich mit dem, was zu erwarten ist.“

„Fische suchen im Sommer ganz natürlich im tieferen, kühleren Wasser Zuflucht. Allerdings müssen diese tieferen Stellen dann auch genügend Sauerstoff enthalten, was durch die Überdüngung der Küstenmeere – insbesondere der Ostsee – nicht gegeben ist. Unsere Daten in der Kieler Bucht von Januar bis Mai 2023 zeigen eine Abnahme des gelösten Sauerstoffs um etwa 50 Prozent im Vergleich zur Oberfläche bereits unterhalb von zwölf Metern Wassertiefe. Damit können die Fische nicht mehr normal wachsen und sind zu dünn. An tieferen Stellen sinkt der Sauerstoffgehalt unter den Mindestwert für das Überleben.“

„In anderen Worten: Durch Überdüngung berauben wir die Fische ihrer natürlichen Zufluchtsräume in zu warmen Sommermonaten.“

„Organismen, die in tieferen Gewässern leben, reagieren im Allgemeinen empfindlicher auf die Erwärmung, da sie im Vergleich zu Organismen in Oberflächengewässern an stabilere Umweltbedingungen – zum Beispiel Temperatur – angepasst sind. Daher ist die Tatsache, dass thermische Anomalien – also auch marine Hitzewellen – in tieferen Gewässern (50 bis 200 Meter) intensiver werden und länger andauern, wie in der aktuellen Studie gezeigt wurde, höchst besorgniserregend.“

„Im Mittelmeer haben wir bei unseren Arbeiten die schlimmsten erwärmungsbedingten Massensterben in den vergangenen zwei Jahrzehnten immer wieder in den oberen 40 Metern festgestellt, wovon sessile Wirbellose (sessil = festsitzend, also Tiere, die ihren Aufenthaltsort nicht ändern können; Anm. d. Red.) betroffen waren – hauptsächlich Korallen, Gorgonien und Schwämme [1] [2]. Bislang sind die tiefer lebenden Populationen dieser Organismen nicht betroffen, zumindest nicht in der tödlichen Größenordnung. Allerdings wurden die meisten Studien, die sich mit dieser Mortalität befassen, von Tauchern durchgeführt und sind daher auf eine Tiefe von 50 bis 60 Metern begrenzt. Unser Wissen darüber, was in tieferen Gewässern geschieht, ist begrenzt. Auch wenn das verheerende Massensterben bisher in den oberen 40 Metern festgestellt wurde, gibt es doch eindeutige Beweise dafür, dass die Populationen darunter – also bis in 50, 60 Metern Tiefe – gesund blieben.“

„Neben diesen tödlichen Auswirkungen muss aber berücksichtigt werden, dass es viele subletale  Auswirkungen gibt, die sich auf tiefere Populationen auswirken könnten, auch wenn diese nicht von Massensterben betroffen sind – zum Beispiel Auswirkungen auf die Reproduktion oder das Wachstum. Außerdem können diese Temperaturveränderungen, wie ebenfalls in der aktuellen Studie dargelegt, zu Veränderungen der Biodiversitätsmuster und der Verteilung der Arten führen.“

„Ein weiterer wichtiger Punkt, der sich aus den Informationen dieser Studie ergibt, ist die Tatsache, dass die regelmäßige Überwachung in tieferen Gewässern viel schwieriger ist als in geringeren Tiefen. Das erschwert die Feststellung von Massensterben und anderen Auswirkungen der Erwärmung. Schon in 40 Metern Tiefe ist diese Art der regelmäßigen Überwachung schwierig und anstrengend. Mit zunehmender Tiefe nimmt diese Schwierigkeit exponentiell zu. Ich spreche dabei nicht nur von der biologischen Überwachung – also der Überwachung der Sterblichkeit –, sondern auch von der Überwachung der physikalisch-chemischen Parameter – zum Beispiel der Temperatur –, die für die Erkennung von Veränderungen und deren Verknüpfung mit biologischen Auswirkungen auf lokaler Ebene unerlässlich sind.“

„Ich möchte betonen, dass diese Art von Studien, die ein weltweites Bild zeigen, zwar sehr wichtig und ansprechend sind, wir aber nicht vergessen sollten, wie wichtig die Überwachung auf lokaler Ebene ist, die die Grundlage für jede andere Studie sein sollte. Die Auswirkungen der Erwärmung sind auf kleinen geografischen Skalen und in der Tiefe unterschiedlich, auch weil oft andere Faktoren gleichzeitig wirken – zum Beispiel Nährstoffe oder die Verfügbarkeit von Nahrung im Sommer. Die einzige Möglichkeit, Erkenntnisse über die Auswirkungen der Erwärmung in diesen Ökosystemen zu gewinnen, besteht daher darin, die Einrichtung und Kontinuität der lokalen Überwachung biologischer und physikalisch-chemischer Parameter sicherzustellen.“

„Es ist auch wichtig anzumerken, dass sich diese Überwachung nicht nur auf die Erkennung der negativen Auswirkungen des Klimawandels konzentrieren sollte, sondern auch auf mögliche Resilienz- oder Erholungsprozesse, die im aktuellen Kontext von großer Bedeutung sind [3].“

„Die aktuelle Studie bringt zum ersten Mal eine Reihe von bereits existierenden globalen Datensätzen und Langzeit-Messreihen analytisch zusammen. Die Kolleg*innen wollten herausfinden, wie lange und wie stark marine Hitzewellen in größeren Wassertiefen von bis zu 2.000 Metern vorkommen und wie sich das eventuell auf die Vielfalt von Lebewesen in diesen Wasserschichten auswirken kann. Die Datenanalyse wurde mit großer Sorgfalt durchgeführt und hat einen erheblichen Mehrwert, denn die bisherige Forschung zu marinen Hitzewellen konzentrierte sich auf die Wasseroberfläche.“

„Wissenschaftliche Studien haben sich bisher auf die Temperaturen der Meeresoberfläche konzentriert, denn dort ist die Datenlage aufgrund von Satellitenmessungen viel besser als in größeren Wassertiefen. Die Wärmeenergie verlässt das Wasser aufgrund seiner hohen Wärmekapazität nur sehr langsam in die Luft, wenn diese abkühlt. Normalerweise bleibt daher ein großer Teil der Wärmeenergie im Meer, wird aber durch Strömungen und Durchmischungsprozesse von der Oberfläche in tiefere Wasserschichten abgeleitet, je nach Stabilität der Schichtung der Wassersäule.“

„Die Studie bleibt allerdings sehr vage, was den Effekt der Hitzewellen in größeren Tiefen auf die verschiedenen Organismen im Meer betrifft. In dieser Analyse wird nicht klar unterschieden zwischen Organismen, die auf dem Meeresboden oder in der Wassersäule leben. Es werden allerdings eine Reihe von möglichen negativen Implikationen genannt, insbesondere für temperaturempfindliche festsitzende wirbellose Tiere, die bei höheren Wassertemperaturen nicht ausweichen können – im Gegensatz zu Fischen und Säugetieren.“

„Als mariner Ökologe, der auf Korallenriffe spezialisiert ist, lerne ich von dieser Studie, dass wohl auch Kaltwasserkorallenriffe – die in allen Weltmeeren in Wassertiefen von typischerweise 100 bis über 1.000 Metern vorkommen – von den nun beschrieben tieferen Hitzewellen betroffen sein könnten. Bisher war mein Wissensstand, dass die Hitzewellen vor allem für Warmwasserkorallenriffe – die in Wassertiefen von null bis maximal 100 Metern zu finden sind – eine große Bedrohung sind.“

„Der Vorteil dieser Studie ist es, dass sie mit der ‚Ozean Reanalyse ‚des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus ein einigermaßen konsistenten Datensatz hat, den man auch für diese Frage auswerten kann. Die Kernaussagen zu der physikalischen Beschreibung der marinen Hitzewellen sind genau so zu erwarten. Die größten Temperatursignale gibt es in den oberflächennahen Schichten. Die Dauer der marinen Hitzewellen sind länger im tieferen Ozean, da sich dieser nur langsam mit der Oberfläche austauscht.“

„Die Tatsache, dass diese Hitzewellen überhaupt innerhalb von Wochen unterhalb der Deckschicht zu finden sind, deutet auf eine besondere Rolle der Ozeandynamik hin – also der Strömungen und planetarischen – also großräumigen – Wellen. Ein reiner thermischer Antrieb würde nicht so schnell in große Tiefen eindringen. Die Rolle des Ozeanbodens ist hier zu vernachlässigen.“

„Zur Methodik im Detail: Die im Anhang der Studie angegeben ‚Verifizierung‘ ist mit Vorsicht zu genießen. Aus der Beschreibung geht nicht hervor, ob die hier gezeigten Daten nicht schon bei der Assimilation in das Modell verwendet wurden. Nur weil andere Datensammlungen genutzt werden, kann man nicht sicher sein, dass die Daten nicht benutzt wurden – insbesondere die Daten des Global Ocean Data Analysis Project (GLODAP). Bei den Verankerungen ist schon eher davon auszugehen, dass die ‚unabhängig‘ sind.“

„Die meisten Studien, die ich kenne, haben Satellitendaten der Oberflächentemperaturen des Wassers genutzt. Für die aktuelle Arbeit wird ein anderer Weg beschritten, der grundsätzlich natürlich prima ist. Aber es bleiben schon noch Fragen, wie gut die Simulation im Detail ist, insbesondere dann, wenn es wenig in-situ Daten gab, die assimiliert werden konnten. Mir ist nicht im Detail bekannt, ob es Studien zum ‚Ende‘ der marinen Hitzewellen gibt. Aber all die Prozesse, die die AutorInnen in der Studie beschreiben, werden eine Rolle spielen. Wie wichtig jeder dieser Faktoren ist, weiß ich nicht. Marine Hitzewellen sind für biogeochemische Prozesse und oft besonders für das Ökosystem von sehr großer Relevanz. Weg von Meereis-bedeckten Zonen sind diese Signale physikalisch nicht ‚dramatisch‘. Die Schichtung kann sich ändern, aber all das hat für die Physik keine dramatischen Folgen.“

„Bei den biologischen Betrachtungen ist eine Frage sehr wichtig: Wie Hitze-angepasst sind diverse Organismen. Das ist auch regional sehr verschieden. In der Nähe von Fronten und in den mittleren und hohen Breiten sind mehr Temperaturschwankungen auch ohne marine Hitzewellen zu erwarten. Und damit ist erstmal mehr Resilienz zu erwarten. In den Tropen, Subtropen und vielleicht auch den Polarregionen kann das anders sein.“

Auf die Frage, wie gut die Überlagerung der physikalischen Messdaten mit den Daten zu Verteilung mariner Lebewesen gelungen ist:
„Hier werde doch recht simple statistische Methoden verwendet. Ich wäre da vorsichtig, wie realistisch diese Ergebnisse sind. Ich würde mich auch fragen, ob für Arten einer Region eine ähnliche Toleranz gegenüber Temperaturschwankungen anzunehmen ist.“

„Grundsätzlich kann man annehmen, dass tiefer lebenden Arten noch besser temperaturangepasst sein könnten, denn normalerweise ändert sich dort die Temperatur viel weniger. Auch wenn ich kein Ökologe bin, weiß ich, dass in der Regel mehr Bewegung und Relevanz in den oberen Schichten oberhalb 100 Metern Wassertiefe zu erwarten ist. Ich kenne keine besonders kritischen Ökosysteme unterhalb von 150 Metern Tiefe, die besonders ‚wichtig‘ oder ‚bedroht‘ wären. Aber das befindet sich außerhalb meiner Kernkompetenz.“

 
„Die Schlussfolgerungen der aktuellen Studie beruhen auf einer robusten und kohärenten Methodik auf dem neuesten Stand der Technik. Obwohl tiefere marine Hitzewellen vor kurzem in einigen Teilen Australiens dokumentiert wurden, liefern die Autor:innen der Studie die erste globale hochauflösende Karte ihrer Verbreitung, Intensität, Dauer und der Bedrohung der biologischen Vielfalt. Sie enthüllen, wie regionale Unterschiede in der Ozeanographie die Intensität und Dauer von marinen Hitzewellen bestimmen und wie weit sie in die Tiefe reichen. All dies sind völlig neue Informationen.“

„Dieses Wissen ist nicht nur wichtig, um zu verstehen, wie sich der Klimawandel in den vergangenen Jahrzehnten auf die globale Meeresbiodiversität ausgewirkt hat, sondern auch, um zu antizipieren, wie er sie auch in Zukunft umgestalten wird, und um regional koordinierte Reaktionen und Strategien zur Bewältigung dieser Veränderungen vorzubereiten. Auch wenn es nach wie vor eine Herausforderung ist, dieses Wissen für die tiefsten Teile des Ozeans zu erlangen, wissen wir jetzt, dass Hitzewellen tiefer reichen, als wir dachten, und Gebiete betreffen, in denen enorme Anteile der marinen Artenvielfalt leben und die für die weltweite Fischerei sehr wichtig sind. Diese wichtige Studie zeigt bisher unbekannte Auswirkungen der globalen Erwärmung auf, die regionale und globale Schutz- und Anpassungsmaßnahmen unterstützen können.“

„Unser Wissen über marine Hitzewellen wurde in der Vergangenheit meist opportunistisch gewonnen. Wir haben uns mehr darauf konzentriert, sorgfältig zu verfolgen, was mit der Temperatur während mariner Hitzewellen geschieht, was sie antreibt und wie sie sich auf verschiedene Weise auf die Lebewesen auswirkt. Wie sich andere Wasserparameter in marinen Hitzewellen auf die Temperatur auswirken oder mit ihr zusammenhängen – insbesondere auf globaler Ebene – bleibt unklar. Einige andere Studien [4] [5] deuten darauf hin, dass marine Hitzewellen auch die atmosphärischen Bedingungen an Land stören können, die über mehrere Wochen bis Monate anhalten können. Marine Hitzewellen im Nordostpazifik trugen zum Beispiel zu den drei aufeinanderfolgenden trockenen Wintern in Kalifornien zwischen 2011 und 2014 bei. Im Wesentlichen können marine Hitzewellen extreme Wetterereignisse über Land weniger vorhersehbar machen.“

  
„Wir wissen, dass Meerestiere, die sich bewegen können – die also nicht am Meeresboden festsitzen –, aus ihrem ursprünglichen Lebensraum fliehen können, wenn es dort zu heiß zum Leben wird. Diese Bewegungen finden nicht nur in verschiedenen Breitengraden, sondern auch in verschiedenen Tiefen statt: Im Allgemeinen von heißen, flachen Gebieten in kühlere Tiefen. Die Ergebnisse der aktuellen Studie sprechen gegen die Annahme, dass Arten tatsächlich tiefer tauchen können, um einen besseren Lebensraum zu finden, oder dass es sicherer und ‚kühler‘ ist, wenn sie überall tiefer leben. Diese Ergebnisse haben Auswirkungen darauf, wie wir vorhersagen können, wie sich die Arten über den Globus verteilen werden, wenn sich die Ozeane weiter erwärmen und marine Hitzewellen immer häufiger werden.“

Auf die Frage, wie gut die Überlagerung der physikalischen Messdaten mit den Daten über die Verteilung der Meeresorganismen in der Studie gelungen ist:
„Meiner Meinung nach ist die Überlagerung der Karten zur Verteilung, Intensität und Dauer von marinen Hitzewellen mit den Karten zur globalen marinen Artenvielfalt einer der interessantesten und am besten gelungenen Aspekte dieser Studie. Besonders wichtig sind die Überschneidungen, die sie zwischen besonders intensiven und lang anhaltenden marinen Hitzewellen und Orten gefunden haben, an denen Arten bereits am Rande einer für sie erträglichen Wärme leben.“

„Die Temperatur setzt eine der härtesten Grenzen für die globale Verbreitung von Arten. Arten sind weltweit innerhalb der Grenzen des Temperaturbereichs verbreitet, in dem sie funktionsfähig bleiben und sich fortpflanzen können.“

Auf die Frage, inwieweit marine Hitzewellen in verschiedenen Wassertiefen unterschiedliche Auswirkungen haben:
„Marine Hitzewellen sind dort am bedrohlichsten, wo sie Hotspots mit endemischen Arten bedrohen, also Gebiete mit sehr einzigartigen Arten, die in ihrer Funktion durch andere unersetzlich sein können. Dies sind Gebiete, in denen die Auswirkungen der marinen Hitzewellen und der Verlust von Arten mit hohen Kosten für die Natur, die biologische Vielfalt und das Funktionieren der Ökosysteme verbunden sind.“

„Wenn wir auch an die enge Verbindung zwischen Meer und Mensch denken, sind marine Hitzewellen in den Gebieten besonders alarmierend, die die Meeresfischerei erhalten, welche die Ernährungssicherheit in besonders unterernährten Gebieten der Welt unterstützt.“