The impact of climate variability and natural/anthropogenic depositions on the oxygen distribution of the Mediterranean Sea

Abstract

Dissolved oxygen is required by the majority of aquatic organisms for respiration and an oxygen deficiency in water poses a threat to our aquatic ecosystems. In a global environment with constantly changing climatic conditions, it is more than necessary to understand and analyze its variability. A higher dissolved oxygen level indicates a better water quality, but climate models predict a decrease in global ocean dissolved oxygen due to climate change. Both physical and biological processes such as warming-induced changes, the three-dimensional ocean circulation, and the supply of nutrients to the ocean interior, regulate the dissolved oxygen distribution and its variability. Understanding the mechanisms with which changes in the biological productivity and changes in the oceanic hydrographic characteristics and circulation, related to climate change and anthropogenic depositions, on time scales from months to centuries is the key to interpreting observed oceanic changes. The Mediterranean Sea is very interesting region for such a research effort because it combines strong forcing and enhanced response. The current knowledge on the complexity of mechanisms involved is still insufficient in this basin. Hence, the scope of this dissertation is to investigate the variability of dissolved oxygen distribution in the Mediterranean Sea, including physical and biogeochemical processes. The complexity of the above mechanisms leads to a further investigation of the dissolved oxygen distribution using both in situ observations and numerical simulations. The analysis of in situ historical data is used to understand how the ocean is changing and the coupling of physical and biogeochemical models is the most effective tools to interpret the effects of each mechanism upon the dissolved oxygen.The interannual variability and the mechanisms controlling the dissolved oxygen concentration in the Mediterranean Sea were investigated through generating gridded fields of dissolved oxygen, salinity and temperature. The Data-Interpolating Variational Analysis (DIVA) software was used to produce a gridded dataset for the time period 1960-2011. High oxygen concentrations for the upper and bottom layers, separated by an oxygen minimum zone at intermediate layers, are a typical structure of the dissolved oxygen in the Eastern and the Western Mediterranean sub-basins. Although an oxygen minimum zone is observed in both sub-basins, its vertical positions are different; in the Eastern Mediterranean is located between 600 and 1200 meters depth and in the Western Mediterranean between 400 and 600 meters. The vertical distribution of dissolved oxygen shows significant differences between the two sub-basins and their temporal evolution reveals large interannual to decadal variability. A negative correlation was observed between dissolved oxygen and surface temperature due to solubility changes over the whole period. However, in the intermediate and deep layers, the primary factors affecting the dissolved oxygen variability are the dynamical processes associated with the episodic events of deep-water formation. The positive correlation between the dissolved oxygen and thermohaline characteristics in the Eastern Mediterranean deep layers is an indication of the dynamical processes, which are involved in the dissolved oxygen interannual variability. The dissolved oxygen variability presents shifts with a multi-decadal signal, rather than trends as observed in the global ocean.The dissolved oxygen in deep layers is strongly regulated by dynamical processes, such as overturning circulation. Thus, it is essential to examine separately this physical process in the basin, as little is known for the long-term variability of its strength. The interannual variability of the Mediterranean overturning circulation is investigated using a high-resolution (1/36°) ocean model (1958-2015). As the overturning circulation regulates the ventilation of the deep layers, we study the spatiotemporal scales of the maximum value of the overturning streamfunction over three main sub-basins of dense water formation (Aegean Sea, Adriatic, and the northwestern Mediterranean). The variability of the zonal overturning is also discussed. The spectrum analysis shows that the overturning variability has its largest signal on annual timescales in all sub-basins, explained by perpetual winter formation. On shorter frequencies (decadal) there are marked differences observed, due to regional processes of the overturning cells, led by buoyancy flux long-term variability in each sub-basin. The decomposition of the total overturning circulation into barotropic, geostrophic shear, and Ekman components revealed weakening and strengthening for the Aegean and Adriatic Sea total overturning, respectively, with opposite trends for the barotropic and geostrophic shear components. The simultaneous contribution of the Ekman and geostrophic component to the total overturning differentiates the variability of zonal overturning circulation from the local meridional overturning circulation of the three sub-basins. The cross spectra between the maximum overturning value and the buoyancy fluxes also revealed that the system keeps the “memory” of this forcing and shows annual variability.We know that nutrient deposition inputs from the atmosphere to the ocean are increased substantially by human activities and affect the marine biogeochemistry, but their impact on the oceanic oxygen cycle over the Mediterranean Sea, remains an open issue that is poorly understood. In the present work, an effort towards the investigation of the dependence of dissolved oxygen distribution on atmospheric nutrients deposition is also made. We performed twin sensitivity experiments focusing on natural (pre-industrial) and anthropogenic (industrial) atmospheric nutrient supply. The contribution of anthropogenic nutrient inputs in the Mediterranean Sea more than doubled and affects the spatial variability distribution of dissolved oxygen in a different way at each level of the water column, associated with the biochemical processes that take place in these depths (e.g., net primary production, zooplankton migration). The Mediterranean Sea remains oligotrophic, but there are different biases under the pre-industrial and present-day aerosol conditions.

Το διαλυμένο οξυγόνο απαιτείται για την αναπνοή της πλειονότητας των υδρόβιων οργανισμών και η έλλειψή του από το νερό αποτελεί απειλή για τα υδάτινα οικοσυστήματα μας. Σε ένα περιβάλλον με συνεχώς μεταβαλλόμενες κλιματικές συνθήκες σε παγκόσμια κλίμακα, είναι κάτι παραπάνω από απαραίτητο να κατανοήσουμε και να αναλύσουμε τη μεταβλητότητα του διαλυμένου οξυγόνου. Υψηλότερα επίπεδα διαλυμένου οξυγόνου υποδηλώνουν καλύτερη ποιότητα νερού, αλλά τα κλιματικά μοντέλα προβλέπουν μείωση του διαλυμένου οξυγόνου στον παγκόσμιο ωκεανό λόγω της κλιματικής αλλαγής. Τόσο οι φυσικές όσο και οι βιολογικές διεργασίες όπως οι αλλαγές που προκαλούνται από την αύξηση της θερμοκρασίας, η τρισδιάστατη ωκεάνια κυκλοφορία και η παροχή βιοενεργών θρεπτικών στοιχείων στο εσωτερικό του ωκεανού, ρυθμίζουν την κατανομή του διαλυμένου οξυγόνου και τη μεταβλητότητά του. Η κατανόηση των μηχανισμών με τους οποίους οι αλλαγές στη βιολογική παραγωγικότητα και οι αλλαγές στα ωκεάνια υδρογραφικά χαρακτηριστικά και την ωκεάνια κυκλοφορία, σχετίζονται με την κλιματική αλλαγή και τις ανθρωπογενείς αποθέσεις, σε χρονικές κλίμακες από μήνες έως αιώνες είναι το κλειδί για την ερμηνεία των παρατηρούμενων ωκεάνιων αλλαγών. Η Μεσόγειος Θάλασσα είναι μια πολύ ενδιαφέρουσα περιοχή για μια τέτοια ερευνητική προσπάθεια καθώς χαρακτηρίζεται από έναν συνδυασμό ισχυρών τάσεων και παρουσιάζει ενισχυμένη απόκριση.Η τρέχουσα γνώση σχετικά με την πολυπλοκότητα των μηχανισμών που εμπλέκονται στην κατανομή του διαλυμένου οξυγόνου είναι ακόμη ανεπαρκής στη λεκάνη της Μεσογείου. Ως εκ τούτου, το αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι να διερευνήσει τη μεταβλητότητα της κατανομής του διαλυμένου οξυγόνου στη Μεσόγειο Θάλασσα, λαμβάνοντας υπόψη τις φυσικές και βιογεωχημικές διεργασίες. Η πολυπλοκότητα των παραπάνω μηχανισμών οδηγεί στην ανάγκη για περαιτέρω διερεύνηση της κατανομής του διαλυμένου οξυγόνου χρησιμοποιώντας τόσο επιτόπιες (in-situ) παρατηρήσεις όσο και αριθμητικές προσομοιώσεις. Η ανάλυση των επιτόπιων ιστορικών δεδομένων χρησιμοποιείται για να μελετηθούν οι παρατηρούμενες αλλαγές του ωκεανού, ενώ η σύζευξη φυσικών και βιογεωχημικών μοντέλων αποτελεί το πιο αποτελεσματικό εργαλείο για την ερμηνεία των επιδράσεων κάθε μηχανισμού στις διακυμάνσεις του διαλυμένου οξυγόνου. Η υπερετήσια μεταβλητότητα του διαλυμένου οξυγόνου και οι μηχανισμοί που ελέγχουν τη συγκέντρωσή του στη Μεσόγειο Θάλασσα διερευνήθηκαν μέσω της δημιουργίας μιας πλήρους βάσης πλεγματικών δεδομένων διαλυμένου οξυγόνου, αλατότητας και θερμοκρασίας. Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία της βάσης δεδομένων βασίζεται στη μέθοδο διακριτοποίησης DIVA (Data-Interpolating Variational Analysis) και καλύπτει τη χρονική περίοδο 1960-2011. Οι υψηλές συγκεντρώσεις οξυγόνου στο ανώτερο στρώμα και στα βαθιά νερά, που χωρίζονται από μια ζώνη ελαχίστου οξυγόνου στα ενδιάμεσα στρώματα, είναι η τυπική δομή της κατανομής του διαλυμένου οξυγόνου στις υπολεκάνες της Ανατολικής και της Δυτικής Μεσογείου. Παρά το γεγονός ότι η ζώνη ελαχίστου οξυγόνου παρατηρείται και στις δύο υπολεκάνες, τα βάθη στα οποία εντοπίζεται διαφοροποιείται μεταξύ των δύο υπολεκανών. Στην Ανατολική Μεσόγειο βρίσκεται μεταξύ 600 και 1200 μέτρων βάθος και στη Δυτική Μεσόγειο μεταξύ 400 και 600 μέτρων. Η κατακόρυφη κατανομή του διαλυμένου οξυγόνου δείχνει σημαντικές διαφορές μεταξύ των δύο υπολεκανών και η χρονική τους εξέλιξη παρουσιάζει μεγάλη μεταβλητότητα από υπερετήσιες έως δεκαετείς κλίμακες. Η αρνητική συσχέτιση μεταξύ διαλυμένου οξυγόνου και θερμοκρασίας στην επιφάνεια του ωκεανού δηλώνει ότι οι διακυμάνσεις του διαλυμένου οξυγόνου εξαρτώνται πλήρως από τη θερμοκρασία καθώς αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για τη διαλυτότητά του. Ωστόσο, η υπερετήσια διακύμανση του οξυγόνου στα ενδιάμεσα και βαθύτερα στρώματα σχετίζεται περισσότερο με δυναμικές διεργασίες του ωκεανού οι οποίες συνδέονται με έντονα επεισόδια δημιουργίας βαθιών νερών. Η θετική συσχέτιση μεταξύ του διαλυμένου οξυγόνου και των θερμοαλατικών χαρακτηριστικών στην Ανατολική Μεσόγειο αποτελεί ένδειξη των δυναμικών διεργασιών που εμπλέκονται στη υπερετήσια μεταβλητότητα του διαλυμένου οξυγόνου. Η διακύμανση στην κατανομή του διαλυμένου οξυγόνου στη Μεσόγειο Θάλασσα δεν παρουσιάζει μακροχρόνιες τάσεις όπως αυτές παρατηρούνται στον παγκόσμιο ωκεανό, αλλά η μεταβλητότητα εμφανίζεται κατά τη διάρκεια μεταβατικών περιόδων (EMT/WMT) με τη μορφή μετατοπίσεων.Η κατανομή του διαλυμένου οξυγόνου αλλάζει στα βαθύτερα στρώματα, και συνδέεται στενά με δυναμικές φυσικές διεργασίες όπως η βαθιά κυκλοφορία της Μεσογείου (overturning circulation). Επομένως, είναι απαραίτητο να εξεταστεί χωριστά αυτή η φυσική διεργασία στη λεκάνη, καθώς λίγα είναι γνωστά για τη μακροπρόθεσμη μεταβλητότητα του μεγίστου της. Η υπερετήσια διακύμανση της βαθιάς κυκλοφορίας της Μεσογείου μελετήθηκε χρησιμοποιώντας τα υψηλής ανάλυσης (1/36°) αποτελέσματα φυσικού μοντέλου για την περίοδο 1958-2015. Καθώς η βαθιά κυκλοφορία ρυθμίζει την ανταλλαγή με τα επιφανειακά στρώματα και τον αερισμό της υδάτινης στήλης, μελετήθηκαν οι χωροχρονικές κλίμακες που χαρακτηρίζουν το μέγιστο της βαθιάς κυκλοφορίας στις κύριες λεκάνες απορροής (Αιγαίο Πέλαγος, Αδριατική και Ιόνιο Πέλαγος και βορειοδυτική Μεσόγειος). Εξετάστηκε επίσης η μεταβλητότητα της ζωνικής βαθιάς κυκλοφορίας (zonal overturning). Η φασματική ανάλυση έδειξε ότι η κυκλοφορία παρουσιάζει μέγιστη μεταβλητότητα σε ετήσια χρονική κλίμακα σε όλες τις υπολεκάνες, γεγονός που εξηγείται από τον αέναο σχηματισμό βαθιών νερών κατά τη διάρκεια του χειμώνα. Σε μικρότερες συχνότητες (δεκαετίες) παρατηρούνται έντονες διαφορές, λόγω των διεργασιών των τοπικών βαθιών κυκλοφοριών (regional overturning cells), που οδηγούνται από τη μακροπρόθεσμη μεταβλητότητα της ροής πλευστότητας σε κάθε υπολεκάνη. Ο διαχωρισμός της συνολικής κυκλοφορίας στις διάφορες συνιστώσες της (βαροτροπική, γεωστροφική και Ekman) έδειξε εξασθένηση και ενίσχυση για τη συνολική κυκλοφορία του Αιγαίου και της Αδριατικής αντίστοιχα με αντίθετες τάσεις για τη βαροτροπική και τη γεωστροφική συνιστώσα. Η ταυτόχρονη συνεισφορά της συνιστώσας Ekman και της γεωστροφικής στη συνολική κυκλοφορία διαφοροποιεί την μεταβλητότητα της ζωνικής κυκλοφορίας από την μεσημβρινή τοπική κυκλοφορία των τριών λεκανών. Τα φάσματα (cross spectra) μεταξύ της μέγιστης τιμής της βαθιάς κυκλοφορίας και της ροής πλευστότητας αποκάλυψαν την ύπαρξη μηχανισμού "μνήμης" στη λεκάνη σε ετήσια βάση.Γνωρίζουμε ότι οι εισροές θρεπτικών στοιχείων μέσω της ατμοσφαιρικής εναπόθεσης στην επιφάνεια του ωκεανού αυξάνονται σημαντικά από τις ανθρώπινες δραστηριότητες και επηρεάζουν τη θαλάσσια βιογεωχημεία, αλλά η επίδρασή τους στον κύκλο του οξυγόνου για την λεκάνη της Μεσογείου Θάλασσας παραμένει ένα ανοιχτό ζήτημα που δεν έχει γίνει ακόμη πλήρως κατανοητό. Έτσι, ως τελικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η προσπάθεια διερεύνησης της εξάρτησης της κατανομής του διαλυμένου οξυγόνου από την ατμοσφαιρική εναπόθεση θρεπτικών στοιχείων. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα ευαισθησίας με επίκεντρο την φυσικής (προβιομηχανική) και ανθρωπογενούς προέλευσης ατμοσφαιρική εναπόθεση θρεπτικών στοιχείων. Η εισροή ανθρωπογενών θρεπτικών συστατικών στη Μεσόγειο Θάλασσα υπερδιπλασιάστηκε και επηρεάζει τη χωρική μεταβλητότητα της κατανομής του διαλυμένου οξυγόνου με διαφορετικό τρόπο σε κάθε επίπεδο της υδάτινης στήλης του νερού, που σχετίζεται με τις βιοχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτά τα βάθη (π.χ. πρωτογενής παραγωγή, κατακόρυφη μετακίνηση του ζωοπλαγκτόν). Η Μεσόγειος Θάλασσα παραμένει ολιγοτροφική, αλλά οι διαφορές στο διαλυμένο οξυγόνο μεταξύ των προβιομηχανικών και των σημερινών ατμοσφαιρικών εναποθέσεων παρουσιάζουν διαφορετικό εύρος (πιο έντονες σε περιοχές με μεγαλύτερη βιολογική δραστηριότητα).