DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-54476-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38361014
تاريخ النشر: 2024-02-15
المؤلف: John A. Barth وآخرون
الموضوع الرئيسي: آثار حموضة المحيطات والاستجابات
نظرة عامة
تميزت فترة الارتفاع الصيفي في عام 2021 قبالة ساحل شمال غرب المحيط الهادئ في الولايات المتحدة بحدث ارتفاع قوي بشكل استثنائي، مما أدى إلى نقص الأكسجين القريب من القاع، والذي يتميز بمستويات الأكسجين المذاب أقل من 61 ميكرومول كغ\(^{-1}\). أثر هذا الظاهرة على ما يقرب من نصف الرف القاري داخل خط 200 متر، مما يشمل حوالي 15,500 كيلومتر مربع. ومن الجدير بالذكر أن منطقة في منتصف الرف أظهرت مستويات الأكسجين المذاب تنخفض إلى أقل من 50 ميكرومول كغ\(^{-1}\) على مسافة 450 كم قبالة شمال وسط أوريغون وواشنطن. تشير البيانات التاريخية منذ عام 1950 إلى انخفاض مستمر في مستويات الأكسجين القريب من القاع، مع زيادة نسبة المياه منخفضة الأكسجين بشكل كبير من 2% خلال 1950-1980 إلى 56% في ظروف الارتفاع القوي بشكل غير عادي في عام 2021.
ترتبط الاتجاهات الملحوظة في نقص الأكسجين ارتباطًا وثيقًا بأنماط الرياح المواتية للارتفاع المعززة بسبب تغير المناخ، مما يشكل تهديدات للنظم البيئية البحرية في المنطقة والاقتصادات الساحلية، التي تعتمد بشكل كبير على مصائد الأسماك المستدامة. كانت المياه المرتفعة، التي تنشأ من أعماق حوالي 150-200 متر، معزولة عن الأكسجين الجوي لفترات طويلة، مما أدى إلى انخفاض محتواها من الأكسجين. على الرغم من كونها تحت العتبات الضارة للعديد من الكائنات البحرية، فإن هذه المياه تشير إلى انخفاض عالمي أوسع في مستويات الأكسجين في المحيطات تحت السطح، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في التوزيع المكاني وشدة هذه الضغوط البيئية لحماية الحياة البحرية والمصالح الاقتصادية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم جمع البيانات من برامج المراقبة البحرية المختلفة، بما في ذلك قاعدة بيانات المحيطات العالمية والمسوح التي أجرتها NOAA ولجنة الهلبوت الدولية في المحيط الهادئ، من بين آخرين. شملت عملية جمع البيانات كل من أجهزة الاستشعار الإلكترونية لقياس الأكسجين المذاب (DO) وعينات المياه المنفصلة التي تم تحليلها عبر المعايرة باستخدام طريقة وينكلر. تم تعريف موسم الارتفاع في عام 2021 باستخدام بيانات إجهاد الرياح من الشمال إلى الجنوب من محطة نيو بورت التابعة لـ NOAA، مع تحديد نقاط تغيير مهمة من خلال خوارزمية CUSUM وتأكيدها عبر تقنية البوتستراب. تم تحليل ما مجموعه 794 ملفًا عموديًا من DO القريب من القاع، مع مجموعة بيانات أكبر تضم 10,843 ملفًا من مهام الطائرات الغاطسة، مما يبرز التغطية الواسعة لموسم الارتفاع.
تمت معالجة بيانات DO القريب من القاع مكانيًا على شبكة عالية الدقة (40.75-48.75° شمالًا و124-126° غربًا) باستخدام منحنيات التنعيم من الصفائح الرقيقة من الدرجة الثانية، والتي تم تحسينها من خلال التحقق المتقاطع المعمم (GCV) لضمان تمثيل دقيق للبنية المكانية. تعتبر هذه الطريقة فعالة بشكل خاص لرسم البيانات ذات العينة النادرة والتوزيع غير المنتظم، مما يسمح بالتقاط التفاصيل المكانية الدقيقة مع تقليل الخطأ التنبؤي. تشير نتائج الدراسة إلى انخفاض نموذجي في قيم DO الدنيا مع تقدم موسم نقص الأكسجين الصيفي، مع ملاحظة قيم DO عالية في وقت مبكر من موسم الارتفاع تحت ظروف رياح محددة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يسلط الضوء على الاتجاهات البيانية المهمة، والنتائج الإحصائية، وأي ارتباطات أو أنماط ملحوظة ذات صلة بفرضيات الدراسة. عادة ما يتم توضيح النتائج من خلال الجداول أو الرسوم البيانية أو الأشكال، التي توفر تمثيلًا بصريًا للبيانات، مما يعزز وضوح النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يناقش القسم آثار النتائج فيما يتعلق بالأدبيات الحالية، مع التأكيد على كيفية مساهمة هذه النتائج في المجال الأوسع للدراسة. يتم أيضًا الاعتراف بأي قيود واجهت خلال عملية البحث، مما يضمن فهمًا شاملاً لسياق النتائج وموثوقيتها. بشكل عام، يعد هذا القسم أساسًا حيويًا للنقاشات والاستنتاجات اللاحقة المستخلصة في الورقة.
النقاش
في صيف عام 2021، تم جمع مجموعة بيانات واسعة من القياسات المحيطية في شمال غرب المحيط الهادئ في الولايات المتحدة، مما كشف عن توزيع مكاني كبير لنقص الأكسجين عبر الرف القاري. كانت فترة الارتفاع، التي استمرت 189 يومًا، أطول بشكل ملحوظ من المتوسط التاريخي، مما ساهم في نقص الأكسجين على نطاق واسع، خاصة في المياه البعيدة حيث تأثرت ما يقرب من 48% من الرف القاري. حددت الدراسة مناطق ذات مستويات عالية ومنخفضة من الأكسجين المذاب (DO)، حيث تم نسب المناطق ذات الأكسجين العالي إلى الخلط المعزز الناتج عن تيارات المد والجزر، بينما كانت المناطق ذات الأكسجين المنخفض مرتبطة بتحلل المواد العضوية والاحتفاظ بها في دوامات معينة ومناطق الرف. تشير النتائج إلى أن الظروف منخفضة الأكسجين التي لوحظت في عام 2021 كانت مقارنة من حيث الحجم بتلك المرتبطة بمصب نهر المسيسيبي وتبرز الطبيعة المستمرة لهذه المناطق منخفضة الأكسجين مع مرور الوقت.
تؤكد الأبحاث أيضًا على العلاقة بين نقص الأكسجين وإجمالي إجهاد الرياح الناتج عن الارتفاع، والذي كان أعلى بشكل ملحوظ في عام 2021 مقارنةً بالـ 36 عامًا الماضية. تشير هذه الاتجاهات إلى أن زيادة الارتفاع قد تصبح أكثر شيوعًا بسبب تغير المناخ، مما قد يؤدي إلى تفاقم ظروف نقص الأكسجين في المستقبل. تدعو الدراسة إلى مراقبة مستمرة ونمذجة متقدمة لفهم أفضل للتفاعل بين العمليات المحلية والبعيدة التي تؤثر على مستويات DO القريبة من القاع. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد على أهمية مراعاة مدة أحداث نقص الأكسجين وتنوعها المكاني، حيث تعتبر هذه العوامل حاسمة لتقييم التأثيرات البيئية على الكائنات البحرية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-54476-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38361014
Publication Date: 2024-02-15
Author(s): John A. Barth et al.
Primary Topic: Ocean Acidification Effects and Responses
Overview
The 2021 summer upwelling season off the United States Pacific Northwest coast was marked by an exceptionally strong upwelling event, resulting in extensive near-bottom hypoxia characterized by dissolved oxygen levels below 61 µmol kg\(^{-1}\). This phenomenon affected nearly half of the continental shelf inshore of the 200-meter isobath, encompassing approximately 15,500 square kilometers. Notably, a mid-shelf area exhibited dissolved oxygen levels dropping below 50 µmol kg\(^{-1}\) over a distance of 450 km off north-central Oregon and Washington. Historical data since 1950 indicate a persistent decline in near-bottom oxygen levels, with the proportion of hypoxic waters increasing significantly from 2% during 1950-1980 to 56% in the anomalously strong upwelling conditions of 2021.
The observed trends in hypoxia are closely linked to enhanced upwelling-favorable wind patterns attributed to climate change, posing threats to the region’s marine ecosystems and coastal economies, which rely heavily on sustainable fisheries. The upwelled waters, originating from depths of approximately 150-200 meters, have been isolated from atmospheric oxygen for extended periods, leading to their low oxygen content. Despite being below harmful thresholds for many marine organisms, these waters are indicative of a broader global decline in subsurface ocean oxygen levels, necessitating further investigation into the spatial distribution and severity of these environmental stressors to safeguard marine life and economic interests.
Methods
In this study, data were collected from various at-sea observational programs, including the World Ocean Data Base and surveys conducted by NOAA and the International Pacific Halibut Commission, among others. The data collection involved both electronic sensors for measuring dissolved oxygen (DO) and discrete water samples analyzed via Winkler titration for calibration. The 2021 upwelling season was defined using north-south wind stress data from NOAA’s Newport station, with significant change points identified through a CUSUM algorithm and confirmed via bootstrapping. A total of 794 vertical profiles of near-bottom DO were analyzed, with a larger dataset of 10,843 profiles from underwater glider missions, highlighting the extensive coverage of the upwelling season.
The near-bottom DO data were spatially interpolated onto a high-resolution grid (40.75-48.75° N and 124-126° W) using second-order thin plate smoothing splines, optimized through Generalized Cross Validation (GCV) to ensure accurate representation of the spatial structure. This method is particularly effective for mapping data with sparse sampling and irregular distribution, allowing for the capture of fine spatial details while minimizing predictive error. The study’s findings indicate a typical decrease in minimum DO values as the summer hypoxia season progresses, with high DO values observed early in the upwelling season under specific wind conditions.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. It highlights significant data trends, statistical outcomes, and any observed correlations or patterns relevant to the study’s hypotheses. The results are typically illustrated through tables, graphs, or figures, which provide a visual representation of the data, enhancing the clarity of the findings.
Additionally, the section may discuss the implications of the results in relation to existing literature, emphasizing how these findings contribute to the broader field of study. Any limitations encountered during the research process are also acknowledged, ensuring a comprehensive understanding of the results’ context and reliability. Overall, this section serves as a critical foundation for the subsequent discussion and conclusions drawn in the paper.
Discussion
In the summer of 2021, an extensive dataset of oceanographic measurements was collected in the United States Pacific Northwest, revealing a significant spatial distribution of hypoxia across the continental shelf. The upwelling season, lasting 189 days, was notably longer than the historical average, contributing to widespread hypoxia, particularly in offshore waters where nearly 48% of the continental shelf was affected. The study identified regions of both high and low dissolved oxygen (DO), with high-oxygen areas attributed to enhanced mixing from tidal currents, while low-oxygen zones were linked to organic matter decay and retention in specific eddies and shelf regions. The findings indicate that the hypoxic conditions observed in 2021 were comparable in scale to those associated with the Mississippi River outfall and highlight the persistent nature of these hypoxic zones over time.
The research further emphasizes the relationship between hypoxia and cumulative upwelling wind stress, which was significantly higher in 2021 compared to the past 36 years. This trend suggests that increased upwelling may become more common due to climate change, potentially exacerbating hypoxic conditions in the future. The study calls for sustained monitoring and advanced modeling to better understand the interplay of local and remote processes affecting near-bottom DO levels. Additionally, it underscores the importance of considering the duration of hypoxic events and their spatial variability, as these factors are critical for assessing the ecological impacts on marine organisms.