ذوب شدن یخ‌های قطب شمال، نقطه عطف شیمیایی را رقم زد؛ اقیانوس از مواد مغذی حیاتی تهی می‌شود

ناپدید شدن فیزیکی یخ‌های دریایی قطب شمال به طور گسترده‌ای به عنوان یکی از آشکارترین و نگران‌کننده‌ترین نشانه‌های تغییرات اقلیمی جهانی شناخته می‌شود. با این حال، در زیر سطح آب‌های منجمد، تحولی بسیار کمتر قابل مشاهده اما به همان اندازه عمیق، در سکوت در حال وقوع بوده است. بر اساس یک مطالعه مهم که در مجله Communications Earth & Environment منتشر شده است، اقیانوس منجمد شمالی اخیراً از یک نقطه عطف شیمیایی پنهان عبور کرده است. در حالی که توجه عمومی و سیاسی عمدتاً بر از دست رفتن فیزیکی زیستگاه‌های یخی برای خرس‌های قطبی و فک‌ها متمرکز مانده است، یک مجموعه داده جامع ۲۵ ساله از یک تغییر رژیم نامرئی پرده برمی‌دارد. ذوب شدن یخ، شیمی زیربنایی اقیانوس را به طور اساسی تغییر داده و آبشار واکنش‌هایی را آغاز کرده است که به طور فعال مواد مغذی اساسی مورد نیاز برای حفظ کل شبکه غذایی دریایی را از آب خارج می‌کنند.[2]

برای دهه‌ها، زیست‌شناسان دریایی و دانشمندان اقلیم بر اساس یک فرض نسبتاً ساده در مورد آینده اکوسیستم قطب شمال عمل می‌کردند. تئوری غالب این بود که با ذوب شدن یخ‌های ضخیم دریا، نور خورشید به میزان قابل توجهی بیشتری قادر به نفوذ به آب‌های تاریک و سرد قطب شمال خواهد بود. انتظار می‌رفت این هجوم ناگهانی انرژی خورشیدی، رونق عظیمی در رشد فیتوپلانکتون‌ها ایجاد کند و به طور بالقوه بهره‌وری بیولوژیکی کلی منطقه را افزایش دهد. در ابتدا، مشاهدات اولیه به نظر می‌رسید که از این تئوری خوش‌بینانه حمایت می‌کنند، زیرا آب‌های تازه باز شده اغلب میزبان شکوفایی‌های بیولوژیکی موقت و عظیمی بودند که به طور موقت لایه‌های سطحی را غنی می‌کردند.[1][3]

اما یک تیم بین‌المللی از محققان، به رهبری اقیانوس‌شناسان دانشگاه ادینبرو، کشف کرده‌اند که این رابطه طی دو دهه گذشته به طور کامل معکوس شده است. دانشمندان با تجزیه و تحلیل دقیق یک مجموعه داده پیوسته ۲۵ ساله از سال ۱۹۹۸ تا ۲۰۲۳، دریافتند که اقیانوس منجمد شمالی دیگر محدود به دسترسی به نور خورشید نیست. در عوض، اکوسیستم به حالتی تغییر یافته است که به شدت توسط کمبود شدید و فزاینده نیترات محدود می‌شود. این ترکیب شیمیایی به عنوان کود ضروری مورد نیاز برای بقا و تولید مثل حیات گیاهی دریایی عمل می‌کند و غیبت ناگهانی آن در حال بازنویسی قوانین اکولوژی قطب شمال است.[1][2][5]

شواهد قطعی برای این تغییر شیمیایی گسترده در تنگه فرام (Fram Strait)، گلوگاه حیاتی دریایی واقع بین گرینلند و مجمع‌الجزایر سوالبارد نروژ، جمع‌آوری شد. این تنگه به عنوان دروازه اصلی عمل می‌کند که از طریق آن آب‌های سرد قطب شمال به سمت جنوب و اقیانوس اطلس شمالی وسیع‌تر تخلیه می‌شوند. نمونه‌برداری‌های اقیانوس‌شناسی انجام شده توسط کشتی‌های تحقیقاتی طی ربع قرن گذشته، یک تغییر رژیم آشکار و غیرقابل انکار را نشان داد که حدود سال ۲۰۰۹ شروع به تسریع کرد و کاملاً با دوره‌ای از کاهش چشمگیر و پایدار یخ‌های دریایی در سراسر منطقه قطبی همزمان بود.[3][4]

داده‌های جمع‌آوری شده از تنگه فرام، تصویری واضح از اقیانوسی ترسیم می‌کند که از حیاتی‌ترین منبع خود محروم شده است. قبل از سال ۲۰۰۹، میانگین غلظت نیترات در آب سطحی قطبی که از قطب شمال خارج می‌شد، به طور مداوم در سطح سالم ۳.۱ میکرومول اندازه‌گیری می‌شد. با این حال، در سال‌های پس از ۲۰۰۹، این میانگین به طور چشمگیری به تنها ۱.۷ میکرومول سقوط کرد. نگران‌کننده‌تر اینکه، محققان خاطرنشان کردند که مقادیر پایه نیترات در طول دوره‌های خاصی اکنون اغلب به صفر نزدیک می‌شود، که نشان می‌دهد آب‌های سطحی تقریباً به طور کامل از مواد مغذی لازم برای حمایت از حیات پیچیده تهی شده‌اند.[2]

مکانیسم اصلی که این قحطی بی‌سابقه مواد مغذی را هدایت می‌کند، یک فرآیند بیولوژیکی و شیمیایی پیچیده به نام نیترات‌زدایی کف‌زی (benthic denitrification) است که به دلیل از دست رفتن گسترده یخ‌های دریایی به شدت تسریع شده است. برای درک این پدیده، ضروری است که بدانیم اقیانوس منجمد شمالی از نظر جغرافیایی منحصر به فرد است. برخلاف سایر اقیانوس‌های عمیق، تقریباً نیمی از کل مساحت قطب شمال شامل فلات‌های قاره‌ای بسیار کم‌عمق است که درست زیر سطح آب قرار دارند. این فلات‌های وسیع و کم‌عمق زیر آب، نسبت به تغییرات محیطی بالا بسیار حساس هستند و آنها را به زمینه‌ای عالی برای نقطه عطف شیمیایی که محققان اکنون شناسایی کرده‌اند، تبدیل می‌کند.[1][5]

از لحاظ تاریخی، یخ‌های ضخیم و چند ساله دریا، این فلات‌های قاره‌ای کم‌عمق را برای اکثریت قریب به اتفاق سال از پرتوهای خورشید محافظت می‌کردند و اکوسیستم را در حالت رکود تاریک و یخی نگه می‌داشتند. با عقب‌نشینی پوشش یخی به دلیل گرم شدن دما، نور شدید خورشید تابستانی سرانجام به آب کم‌عمق رسید و شکوفایی‌های سریع و عظیم جلبکی را که دانشمندان در ابتدا پیش‌بینی کرده بودند، جرقه زد. با این حال، این شکوفایی‌های بیولوژیکی عظیم ذاتاً کوتاه مدت هستند. هنگامی که میلیون‌ها تن مواد آلی به ناچار می‌میرند، مواد گیاهی در حال پوسیدگی مستقیماً به کف دریا در زیر فرو می‌روند و رسوبات را با لایه‌ای ضخیم از ضایعات بیولوژیکی می‌پوشانند.[5][6]

هنگامی که این مواد آلی در حال پوسیدگی به کف دریا می‌رسند، یک جنون تغذیه شدید در میان میکروب‌های دریایی بومی که در رسوبات زندگی می‌کنند، ایجاد می‌شود. این جشن عظیم میکروبی به سرعت اکسیژن موجود در آب کم‌عمق و گل و لای زیرین را تخلیه می‌کند. در این محیط‌های تازه ایجاد شده و کمبود اکسیژن، میکروب‌ها مجبور به سازگاری برای بقا می‌شوند. برای ادامه سوخت‌رسانی به متابولیسم خود بدون اکسیژن، باکتری‌ها به استفاده از نیترات به عنوان گیرنده الکترون روی می‌آورند و در این فرآیند ترکیب شیمیایی آب دریای اطراف را به طور اساسی تغییر می‌دهند.[2][6]

از طریق این تغییر متابولیکی اجباری، میکروب‌های کف دریا نیترات بسیار قابل استفاده را مصرف کرده و آن را مستقیماً به گاز نیتروژن خنثی تبدیل می‌کنند. از آنجایی که اکثریت قریب به اتفاق فیتوپلانکتون‌های دریایی نمی‌توانند گاز نیتروژن را مستقیماً از آب جذب یا استفاده کنند، این تبدیل شیمیایی به طور دائمی ماده مغذی حیاتی را از اکوسیستم دریایی حذف می‌کند. به جای بازیافت کود به ستون آب برای استفاده نسل بعدی پلانکتون‌ها، فلات‌های کم‌عمق به عنوان یک سینک شیمیایی عظیم و یک‌طرفه عمل می‌کنند که به طور فعال ظرفیت تحمل اقیانوس را از بین می‌برند.[5][6]

مقیاس محض این حذف مواد مغذی حیرت‌آور است و محققان برای مدل‌سازی میزان کامل این زیان با مشکل مواجه هستند. تخمین‌های فعلی نشان می‌دهد که تنها دریای چوکچی (Chukchi Sea) و فلات سیبری شرقی (East Siberian shelf) اکنون فعالانه تقریباً ۱۲ تراگرم نیتروژن را هر ساله از اقیانوس حذف می‌کنند. این کسری عظیم و مداوم به طور موثر بخش قابل توجهی از مواد مغذی تازه‌ای را که به طور طبیعی از اقیانوس آرام به حوضه قطب شمال سرازیر می‌شوند، خنثی می‌کند و تضمین می‌کند که منطقه در حالت گرسنگی دائمی و بدتر شونده باقی بماند.[2]

پیامدهای اکولوژیکی این تغییر شیمیایی نامرئی در حال حاضر با سرعت نگران‌کننده‌ای در شبکه غذایی قطب شمال در حال گسترش است. در این آب‌های تازه تهی‌شده از مواد مغذی، گونه‌های بزرگ و پرانرژی فیتوپلانکتون‌ها که از لحاظ تاریخی اکوسیستم را لنگر انداخته بودند، به سادگی نمی‌توانند زنده بمانند. در عوض، ترکیب بیولوژیکی اقیانوس به سرعت در حال تغییر است تا به نفع گونه‌های پلانکتونی بسیار کوچک‌تر و به طور قابل توجهی کم‌مغذی‌تر باشد که برای تولید مثل به منابع کمتری نیاز دارند، و به طور اساسی خط پایه تغذیه‌ای کل منطقه قطبی را تغییر می‌دهد. این تغییر از موجودات بزرگ و قوی به جایگزین‌های میکروسکوپی و کم‌انرژی به این معنی است که هر لایه بعدی زنجیره غذایی کسری از کالری دریافتی را که قبلاً به آن وابسته بود، دریافت می‌کند.[1][3]

از آنجایی که این موجودات کوچک‌تر انرژی بسیار کمتری در هر لقمه فراهم می‌کنند، کل زنجیره غذایی دریایی از پایین به بالا از نظر ساختاری به خطر می‌افتد. زیست‌شناسان دریایی و حافظان محیط زیست هشدار می‌دهند که این تنگنای شدید مواد مغذی به ناچار ظرفیت تحمل کلی اقیانوس منجمد شمالی را کاهش خواهد داد. اثرات آبشاری تهدید می‌کند که جمعیت ماهی‌های کوچک خوراکی را نابود کند، که به نوبه خود پرندگان دریایی، فک‌ها و نهنگ‌های بالین بزرگ را که به طور خاص برای تغذیه از آنچه زمانی یک پایه پلانکتونی قوی و قابل اعتماد بود، به قطب شمال مهاجرت می‌کنند، به خطر می‌اندازد.[3][4]

فراتر از تهدید فوری و قابل مشاهده برای حیات وحش قطبی، از دست رفتن دائمی نیترات پیامدهای شدید و بلندمدتی برای ثبات اقلیمی جهانی دارد. فیتوپلانکتون‌ها به طور گسترده‌ای به عنوان یکی از حیاتی‌ترین جذب‌کننده‌های طبیعی کربن سیاره شناخته می‌شوند که به آرامی مقادیر عظیمی از دی‌اکسید کربن را از اتمسفر از طریق فرآیند فتوسنتز جذب می‌کنند. همانطور که آنها رشد و تکثیر می‌یابند، کربنی را که در غیر این صورت به اثر گلخانه‌ای کمک می‌کرد، در خود حبس می‌کنند و به عنوان یک بافر حیاتی در برابر گرمایش افسارگسیخته اتمسفر عمل می‌کنند. بنابراین، سلامت این گیاهان میکروسکوپی مستقیماً با توانایی زمین در تنظیم دمای خود مرتبط است.[1][6]

با کاهش ظرفیت اقیانوس منجمد شمالی برای حمایت از جمعیت‌های بزرگ و پررونق پلانکتون‌ها به دلیل گرسنگی مواد مغذی، توانایی کلی آن برای جداسازی کربن به طور متناسبی تضعیف می‌شود. این پویایی یک حلقه بازخورد اقلیمی بسیار خطرناک و خودتقویت‌کننده ایجاد می‌کند. تغییرات اقلیمی ناشی از فعالیت‌های انسانی یخ‌های سطحی را ذوب می‌کند، ذوب شدن یخ باعث تخریب شیمیایی مواد مغذی دریایی می‌شود، از دست رفتن مواد مغذی پلانکتون‌های بزرگ را از بین می‌برد، و پلانکتون‌های در حال مرگ میلیون‌ها تن کربن جذب نشده را در اتمسفر باقی می‌گذارند تا گرمایش بیشتری را در سراسر جهان به پیش ببرد.[1][6]

در حالی که مجموعه داده ۲۵ ساله از تنگه فرام شواهد قوی و غیرقابل انکاری از تغییر شیمیایی در قطب شمال ارائه می‌دهد، عدم قطعیت‌های قابل توجهی در مورد اینکه این اثرات ویرانگر دقیقاً تا کجا گسترش خواهند یافت، باقی می‌ماند. دانشمندان در حال حاضر تحقیقات جدیدی را آغاز کرده‌اند تا مشخص کنند آیا آب‌های به شدت تهی‌شده از مواد مغذی که به سمت جنوب از قطب شمال جریان می‌یابند، در نهایت اقیانوس اطلس شمالی را رقیق خواهند کرد یا خیر. اگر این قحطی مواد مغذی به اندازه کافی گسترش یابد، می‌تواند مستقیماً بر بهره‌وری شیلات تجاری بزرگی که میلیون‌ها نفر برای غذا و ثبات اقتصادی به آن وابسته هستند، تأثیر بگذارد.[4][5]

از آنجایی که این تغییر رژیم عمیق توسط از دست رفتن سیستماتیک و مداوم یخ‌های دریایی هدایت می‌شود، محققان به این نتیجه رسیده‌اند که این فرآیند کاملاً خودتقویت‌کننده و احتمالاً دائمی است. هجوم مداوم آب ذوب شده تازه، یک لایه طبقه‌بندی شده ایجاد می‌کند که روی آب‌های عمیق‌تر و شورتر قرار می‌گیرد و به عنوان یک درپوش فیزیکی عمل می‌کند که از مخلوط شدن جریان‌های قدیمی‌تر و غنی از مواد مغذی به سمت بالا برای تجدید سطح جلوگیری می‌کند. در نتیجه، دانشمندان هشدار می‌دهند که بسیار بعید است اقیانوس منجمد شمالی هرگز به حالت قبلی و غنی از مواد مغذی خود بازگردد و این نشان‌دهنده یک دگرگونی دائمی در یکی از حیاتی‌ترین اکوسیستم‌های زمین است.[1][2][5]