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Mar 06, 2023

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Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 20549 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Länder an der Küste des Arabischen/Persischen Golfs sind die weltweit größten Nutzer von Entsalzungstechnologien, die für die Deckung ihres Süßwasserbedarfs unerlässlich sind. Es wird prognostiziert, dass die Produktion von entsalztem Süßwasser in den kommenden Jahrzehnten rasch zunehmen wird. Daher wurden Bedenken geäußert, dass Entsalzungsaktivitäten zu einem nicht zu vernachlässigenden langfristigen, einzugsgebietweiten Anstieg des Salzgehalts führen könnten, was weitreichende schädliche Auswirkungen auf die Meeresökosysteme des Golfs hätte, sich auch auf die Fischerei auswirken und die Entsalzung beeinträchtigen könnte Aktivitäten selbst. Wir stellen fest, dass die aktuelle jährliche Produktion von entsalztem Süßwasser etwa 2 % der jährlichen Nettoverdunstung aus dem Golf ausmacht. Prognosen für das Jahr 2050 gehen von einem Wert von 8 % aus, was die Möglichkeit eröffnet, dass die Produktion von entsalztem Süßwasser später in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts 10 % der Nettoverdunstung übersteigen könnte, eine Menge, die mit jährlichen Schwankungen der Nettoverdunstung vergleichbar ist. Mit Hilfe eines Modells untersuchen wir mehrere klimatologische Szenarien und stellen fest, dass gemäß den Worst-Case-Szenarien SSP5-8.5 des IPCC ein Anstieg der Lufttemperatur am Ende des Jahrhunderts zu einem Anstieg des Salzgehalts führen kann, der mit dem Anstieg des Salzgehalts vergleichbar oder größer ist als der durch Entsalzungsaktivitäten verursachte . Dasselbe Szenario deutet auf eine verringerte Verdunstung und einen erhöhten Niederschlag hin, was eine mildernde Wirkung hätte. Schließlich stellen wir fest, dass aufgrund einer starken Umwälzzirkulation stark salzhaltiges Wasser schnell durch die Straße von Hormus gespült wird. Daher ist es selbst im schlimmsten Fall unwahrscheinlich, dass der Anstieg des Salzgehalts im Beckenmaßstab 1 PSU übersteigt, und unter einer weniger extremen Hypothese wird er wahrscheinlich deutlich unter 0,5 PSU bleiben, Werte, die im gesamten Beckenmaßstab vernachlässigbare Auswirkungen auf die Umwelt haben.

Die Küste des Arabischen/Persischen Golfs (im Folgenden „Golf“) wird von acht Nationen geteilt, von denen viele in den letzten 30 Jahren eine rasante wirtschaftliche Entwicklung erlebt haben, die mit einem dramatischen Bevölkerungswachstum und einer Urbanisierung einherging. Die reichliche Verfügbarkeit von Süßwasserressourcen ist eine notwendige Voraussetzung für die Aufrechterhaltung jeglicher Entwicklung. Innerhalb des Golfs können nur der Iran und der Irak zur Deckung ihres Süßwasserbedarfs auf natürlich vorkommende Wasserläufe zurückgreifen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass die Länder an der südlichen Golfküste zu den ersten Anwendern von Entsalzungstechnologien gehörten, die heute den Großteil des in der Golfregion verwendeten Süßwassers liefern1.

(a) Bathymetrie der Golfregion gemäß dem GEBCO 2021-Datensatz. Der Höhennullpunkt ist hellblau markiert, die −30 m Isobathe dunkelblau. Bestehende und zukünftige (im Bau befindliche, bis 2030 genehmigte und geplante) Entsalzungsanlagen mit Einfluss auf den Golf sind durch Kreise bzw. Sechseckmarkierungen gekennzeichnet. Die Markierungsfläche ist proportional zur Entsalzungskapazität der Anlage. Anlagen, die näher als ~10 km liegen, werden als einzelne Anlage mit der kombinierten Kapazität dargestellt. (b) Bestehende und zukünftige Entsalzungskapazität pro Land. Oman wurde nicht berücksichtigt, da seine Entsalzungskapazität im Golf nur 5150 m\(^{3}\) Tag\(^{-1}\) beträgt und es keine Pläne für eine Erweiterung gibt. Daten von2. Mit Python 3.10.6 erstellte Karte: https://www.python.org/.

Heute konzentrieren sich 45 % der weltweiten Süßwasserentsalzungsproduktion auf den Golf, und in der Region befinden sich die größten Entsalzungsanlagenkomplexe der Welt3. Abbildung 1 zeigt die Position und die damit verbundene Süßwasserproduktionskapazität aller Entsalzungsanlagen, die derzeit (März 2022) in Betrieb sind (d. h. „bestehende Anlagen“) und derjenigen, die voraussichtlich bis 2030 in Betrieb sein werden („zukünftige Anlagen“). einschließlich im Bau befindlicher, genehmigter oder geplanter Anlagen).

Obwohl die Entsalzung von grundlegender Bedeutung für das Leben und Wohlbefinden im Golf ist4,5,6,7, wurden viele Bedenken hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Umwelt geäußert8,9,10,11,12,13. Zu den lokalen Auswirkungen gehören das Auftreffen und Mitreißen von Meeresorganismen am Wassereinlass und die Einleitung erhitzter, hypersaliner, chemisch verunreinigter und hypoxischer Solen (das Hauptnebenprodukt der Entsalzung) an den Ausflüssen, was direkte negative Auswirkungen auf die Meeresflora haben kann und Fauna. Die lokale Wirkung von Solen bei steigender Temperatur (für Flash- und Multi-Effekt-Destillationsanlagen) und Salzgehalt (für alle Anlagen) ist einigermaßen klar3,12,14. Andererseits würde die Ausweitung dieses Phänomens auf der gesamten Beckenebene und sein synergistischer Effekt mit der Erwärmung und dem Anstieg des Salzgehalts aufgrund des Klimawandels von den Eigenschaften der Zirkulation der Wassermassen in dem Becken abhängen, an dessen Ufern die Wassermassen zirkulieren Pflanzen kommen vor.

Der Golf ist ein flaches Randmeer (mittlere Tiefe ca. 30 m), in dem die Verdunstung die Niederschläge und den Flussabfluss übersteigt15. Der Golf ist durch die schmale Straße von Hormus („Hormuz“) mit dem Indischen Ozean verbunden und zeichnet sich durch eine umgekehrte Mündungszirkulation aus, bei der dichtes, salzhaltiges Wasser (39–40 psu) durch den tieferen Teil von Hormus abfließt und leichteres, Zufluss frischerer Oberflächengewässer im Indischen Ozean („IOSW“, 36–37 psu) in flacheren Ebenen16,17,18. Der Austauschfluss ist im Vergleich zu anderen ähnlichen halblandumschlossenen Becken (z. B. Rotes Meer, Mittelmeer) relativ schwach und liegt im Durchschnitt bei etwa 0,15 Sv19. Der Golf erlebt bereits extreme Umweltbedingungen für ein subtropisches Meer, mit Temperaturen von bis zu 36 \(^{\circ }\)C im Sommer und typischen Salzgehalten von 42 psu in den südlichen Untiefen15,20. Daher sollte die Möglichkeit, dass Entsalzungsaktivitäten zu einem nicht zu vernachlässigenden Anstieg des Salzgehalts im gesamten Einzugsgebiet mit möglicherweise negativen Auswirkungen auf die Umwelt und die Wirtschaft führen können, sorgfältig berücksichtigt werden.

Tatsächlich wurde der derzeit hohe Salzgehalt des Golfs bereits mit einer verringerten Artenvielfalt von Korallen und Stachelhäutern21,22,23,24 und einer verringerten Größe bei der Reife von Fischen25 in Verbindung gebracht. Eine Größenreduzierung ist mit höheren Kosten der Osmoregulation bei höherem Salzgehalt verbunden, wodurch die für Wachstum, Fortpflanzung und Erhaltung verfügbare Energie verringert wird26. Entscheidend ist, dass abnehmende Fischgrößen aufgrund der geringeren Fruchtbarkeit der Fische und der Biomasseproduktion die Produktivität der Fischerei beeinträchtigen werden27. Darüber hinaus ist der Salzgehalt des Speisewassers einer der Hauptfaktoren für die Betriebskosten einer Entsalzungsanlage. Daher würde sich ein erheblicher Anstieg des Salzgehalts auch negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Süßwasserproduktion durch Entsalzung auswirken28,29.

Kürzlich wurde in mehreren Modellierungsstudien versucht, den Anstieg des Salzgehalts auf beckenweiten räumlichen Skalen aufgrund der Entsalzung im Golf abzuschätzen13,30,31,32,33,34,35,36. Diese Studien berücksichtigen jedoch nur eine sehr begrenzte Anzahl von Szenarien und konzentrieren sich hauptsächlich auf die Quantifizierung des überschüssigen Salzgehalts aufgrund der heutigen Entsalzungsmengen. Sie berücksichtigen weder die möglichen zukünftigen Auswirkungen des Klimawandels noch den wahrscheinlichen Anstieg der Entsalzungsmengen, mit der bemerkenswerten Ausnahme von13, das sowohl die Entsalzungsmengen als auch die klimatischen Bedingungen auf die Mitte des 21. Jahrhunderts hochrechnet. Aufgrund ihrer Heterogenität sind diese Studien nicht ohne weiteres vergleichbar und ihre Ergebnisse weichen deutlich voneinander ab. Für die heutige Entsalzungskapazität berichten alle Studien über einen Anstieg des Salzgehalts von weniger als 0,5 PSU, mit Ausnahme des Analysemodells36, das einen Salzgehalt im gesamten Golf von über 50 PSU vorhersagt, und des allgemeinen Zirkulationsmodells13, das einen weit verbreiteten Anstieg des Salzgehalts von mehr als 1 PSU meldet in den Offshore-Regionen und von 3 PSU oder mehr in flachen Küstengebieten. Keine dieser Arbeiten identifiziert spezifische physikalische Mechanismen, die den Salzgehaltaufbau begünstigen oder behindern. Einige Studien berichten von geringfügigen Veränderungen in der Zirkulation des Golfs33,35, jedoch konnten sie aufgrund des begrenzten Zeitintervalls, das ihre Simulationen umfassten, den relativen Beitrag des Abflusses aus Entsalzungsanlagen und den der natürlich vorkommenden interannualen Variabilität nicht entwirren Salzgehalt.

Konzeptionelles Schema des Boxmodells (siehe „Methoden“ für die Modellgleichungen). Volumenflüsse (\(q_{I}\), \(q_{H}\), \(q_{OD}\)) zwischen dem Indischen Ozean, küstennahen, küstennahen und tiefen Boxen werden durch die Dichteunterschiede zwischen ihnen bestimmt Wassermassen in angrenzenden Boxen. Die Inshore- und Offshore-Boxen unterliegen der Verdunstung und dem Wärmeaustausch mit der Atmosphäre. Der Fluss \(q_{H}\) quantifiziert den Wasseraustausch zwischen dem Indischen Ozean und dem Golf durch die Straße von Hormus.

Generell wurde in der vorhandenen Literatur wenig Wert darauf gelegt, einfache, brauchbare Benchmarks zur Messung der Größe der Entsalzungsflüsse zu ermitteln, um ein qualitatives Bild zu erhalten, das als Leitfaden für weitere quantitative Analysen dienen könnte. Eine Schätzung der Süßwasserentsalzungsproduktion im Golf (z. B. Abb. 1) ist von wirtschaftlicher und soziologischer Relevanz, ihr absoluter Wert vermittelt jedoch nur geringe Umweltinformationen, sofern er nicht mit einem aussagekräftigen Vergleichsbegriff verglichen wird. Ein qualitativer Indikator, der für jede Stofffreisetzung im Wasser gilt, ist das Verhältnis der Spülzeiten, die mit der Stofffreisetzung (in unserem Fall durch Entsalzung) und der Stoffentfernung (durch Transport durch Hormuz) verbunden sind. Wir beobachten weiterhin, dass sowohl Entsalzung als auch Verdunstung ähnliche Auswirkungen haben (sie entziehen Süßwasser, hinterlassen Meersalzmasse, was zu einem erhöhten Salzgehalt im Meer führt), mit dem einzigen Unterschied, dass ersterer ein anthropogener Prozess ist, der ausschließlich an Land stattfindet, während letzterer ausschließlich an Land stattfindet ist ein natürlicher Prozess, der sowohl an Land als auch auf See abläuft. Angesichts der Tatsache, dass der Salzgehalt des Golfs in erster Linie durch das Gleichgewicht zwischen Verdunstung und dem Zufluss von Süßwasser durch die Straße von Hormus16 bestimmt wird, scheinen die Nettoverdunstung (d. h. Verdunstung minus Niederschlag) sowie das Ausmaß seiner natürlichen interannualen Variabilität dies zu tun seien die natürlichen Vergleichsterme für die Größe der Entsalzungsflüsse.

Unsere quantitative Analyse ist nicht der Versuch einer detaillierten Zukunftsprognose. Ihr Ziel besteht vielmehr darin, das Plausible vom Unplausiblen zu trennen und Licht auf die primären physikalischen Prozesse zu werfen, die den Aufbau von Salzgehalt in großen Maßstäben begünstigen oder behindern. Zu diesem Zweck stützen wir uns auf ein einfaches Modell zur Darstellung der Umwälzzirkulation des Golfs. Dies ermöglicht es uns, durch die Untersuchung mehrerer Szenarien einen glaubwürdigen Variabilitätsbereich für zukünftige Änderungen des Salzgehalts im Golf zu identifizieren. Insbesondere untersuchen wir die einzelnen oder kombinierten Auswirkungen eines klimatologischen Temperaturanstiegs und eines klimatologischen Anstiegs oder Rückgangs der Verdunstung. Darüber hinaus formulieren wir auch Szenarien, die auf hypothetischen Mechanismen basieren, die den Fluss durch die Straße von Hormus regulieren. Innerhalb jedes Szenarios untersuchen wir ein großes Intervall der Produktionsmengen von entsalztem Süßwasser, das die heutigen Mengen, Schätzungen für 2030 und Prognosen für 2050 umfasst. Das höchste Volumen, das wir berücksichtigen, beträgt 120 Millionen m\(^{3}\) Tag\( ^{-1}\), was über jeder bekannten Zukunftsprognose liegt, aber technologisch erreichbar ist.

Unser Modell verwendet eine idealisierte Aufteilung des Golfs in drei Kästchen (Abb. 2): ein küstennahes Kästchen, das die Gewässer von der Küste bis zur −30 m-Isobathe darstellt; ein Offshore-Modell für die Gewässer jenseits der −30 m-Isobathe von der Oberfläche bis −30 m Tiefe; eine tiefe für die Offshore-Gewässer unter − 30 m Tiefe (Abb. 1 zeigt die − 30 m-Isobathe37). Das Modell behandelt die Boxen als homogen und miteinander verbunden. Die Inshore-Box berücksichtigt in aggregierter Form auch den Beitrag von hypersalinen Küstengebieten wie dem Golf von Salawah und den Lagunen von Abu Dhabi, ohne diese jedoch explizit aufzulösen. Die Tief- und Offshore-Boxen stehen in Verbindung mit einem Reservoir, das die Oberflächengewässer des Indischen Ozeans darstellt. Volumenflüsse werden durch Dichteunterschiede des Meerwassers in benachbarten Kästen bestimmt. An der Oberfläche werden Wärme- und Verdunstungsströme vorgegeben. Diese Modellierungstechnik folgt der bahnbrechenden Arbeit von Stommel über die atlantische Umwälzzirkulation38 und hat sich als hervorragender Ansatz für explorative Studien zur thermohalinen Umwälzzirkulation etabliert, auch unter Einbeziehung atmosphärischer Rückkopplungen39,40,41,42. Der Box-Modell-Ansatz ermöglicht es, den Soleeintrag von Entsalzungsanlagen als Süßwasserentzug zu behandeln, ähnlich der Verdunstung. Der einzige für das Modell relevante Parameter ist somit die Gesamtmenge an entsalztem Wasser, die in der Zeiteinheit produziert wird. Dadurch sind die Modellergebnisse unabhängig von der jeweils verwendeten Entsalzungstechnologie und insbesondere vom spezifischen Sole-/Süßwasserverhältnis jeder Anlage. Weitere Einzelheiten und die Modellgleichungen finden Sie weiter unten unter „Methoden“.

Die Verdunstung aus den Golfgewässern erreicht im März–April ein Minimum und steigt langsam auf ein Maximum im November43,44. Der monatlich gemittelte Nettoverdunstungsfluss über dem Golf in den Jahren 1979–2021 ist in Abb. 3 dargestellt (Daten aus der ERA5-Reanalyse45). Im Durchschnitt liegt die Nettoverdunstung beim Jahresminimum bei etwas über 500 Millionen m\(^{3}\) Tag\(^{-1}\) und beim Jahresmaximum erreicht sie fast 1500 Millionen m\(^{ 3}\) Tag\(^{-1}\). Die tägliche durchschnittliche Nettoverdunstung im Zeitraum 1979–2021 beträgt 1000 Millionen m\(^{3}\) Tag\(^{-1}\). Diese Menge ist kompatibel mit den Schätzungen, die aus der Messung der Volumenflüsse durch die Straße von Hormus (\(1105\pm 270\) Millionen m\(^{3}\) Tag\(^{-1}\)19 stammen , Daten von Dezember 1996 bis März 1998). Der saisonale Zyklus der Nettoverdunstung weist eine erhebliche interjährliche Variabilität auf (Abb. 3). Insbesondere im Herbst und Winter werden häufig Schwankungen von mehreren Hundert Millionen m\(^{3}\) Tagen\(^{-1}\) über oder unter dem Monatsdurchschnittswert beobachtet. Die Phase des Zyklus wird nur teilweise durch den Winterniederschlag bestimmt (der im Durchschnitt im Dezember und Januar mit einem Fluss von 250 Millionen m\(^{3}\) Tag\(^{-1} sein Maximum erreicht \)) und wird hauptsächlich durch Winde und den Temperaturunterschied zwischen Meer und Luft beeinflusst, wobei das Meer im Spätwinter im Allgemeinen kühler als die Luft und im Herbst wärmer als die Luft (und daher stärker der Verdunstung ausgesetzt) ​​ist15, 16.

Monatlich gemittelte Nettoverdunstung (Verdunstung minus Niederschlag) über dem Golf. Die dicke rote Linie ist der Durchschnitt über den Zeitraum 1979–2021. Die dünnen grauen Linien beziehen sich auf die einzelnen Jahre (die dunklere Farbe entspricht dem älteren Jahr). Die linke Achse gibt den Fluss in Millionen Kubikmetern pro Tag an, die rechte Achse zeigt den gleichen Fluss in Sverdrup (1 Sv = eine Million Kubikmeter pro Sekunde). Daten aus der ERA5-Reanalyse.

Jährlich gemittelte Nettoverdunstung (blaue durchgezogene Linie, linke Achse) und jährlich gemittelte Windgeschwindigkeit (orangefarbene durchgezogene Linie, rechte Achse) über dem Golf. Die gestrichelten Linien zeigen die lineare Anpassung der kleinsten Quadrate an die Daten. Die Einschübe geben den Trend (Steigung der linearen Anpassung) und den zugehörigen p-Wert in Bezug auf die Nullhypothese des Nulltrends an. Der Pearson-Korrelationskoeffizient der Verdunstungs- und Windzeitreihen und sein p-Wert in Bezug auf die Nullhypothese, dass keine Korrelation besteht, werden ebenfalls angegeben. Daten aus der ERA5-Reanalyse45.

Abbildung 4 zeigt die jährliche mittlere Nettoverdunstung und Windgeschwindigkeit des Golfs. Die Nettoverdunstung weist zwischenjährliche Schwankungen von ±10 % um ihren Mittelwert auf. Der Wind zeigt einen schwachen, aber deutlichen Abwärtstrend (\(p<0,05\)); Der Trend der Nettoverdunstung ist statistisch nicht signifikant. Die beiden Größen korrelieren signifikant (\(r=0,41,\,p<0,01\)), was bestätigt, dass Änderungen der Windgeschwindigkeit die Verdunstung im Golf stark beeinflussen46,47. (Wenn man den Niederschlag weglässt, erhöht sich die Korrelation von Wind und Verdunstung allein auf \(r=0,57,\,p=0,0001\); auch die Verdunstung allein zeigt keinen signifikanten Trend.)

Die aktuelle Schätzung der entsalzten Wasserproduktion im Golf beträgt 22,6 Millionen m\(^{3}\) Tag\(^{-1}\)2, was 2,3 % des durchschnittlichen täglichen Nettoverdunstungsflusses im Zeitraum 1979 entspricht –2021. Einschließlich aller bekannten zukünftigen Anlagen (Abb. 1) wächst die Entsalzungskapazität auf 39,5 Millionen m\(^{3}\) Tag\(^{-1}\), also 4 % des durchschnittlichen Nettoverdunstungsflusses . Dies sollte eine ziemlich genaue Schätzung der Entsalzungsflüsse bis etwa 2030 sein. Es wird prognostiziert, dass die Entsalzungskapazität bis 2050 80 Millionen m\(^{3}\) Tag\(^{-1}\)13 erreichen könnte. Daher sollte die Möglichkeit, dass in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts die Entsalzungsflüsse 10 % der Verdunstungsflüsse erreichen und möglicherweise übertreffen, als plausible Hypothese betrachtet werden.

Es ist nützlich zu beachten, dass die Küstenoberfläche der −30-m-Isobathe 58 % der Gesamtfläche des Golfs ausmacht. Daher entzieht die Entsalzung der Küstenregion derzeit eine Süßwassermenge, die etwa 4 % der durch Nettoverdunstung entnommenen Menge entspricht, und diese Menge wird einschließlich der zukünftigen Kapazität (bis 2030) auf etwa 7 % ansteigen. Danach könnte in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts die Süßwasserentnahme auf über 15 % der küstennahen Verdunstungsflüsse ansteigen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die heutigen Entsalzungsflüsse durch die monatlichen Schwankungen der Nettoverdunstung (Abb. 3) in den Schatten gestellt werden, aber möglicherweise mit den heutigen zwischenjährlichen Schwankungen der Nettoverdunstung (Abb. 4) in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts vergleichbar werden. Die im sechsten IPCC-Bewertungsbericht (AR6)48 diskutierten Szenarien zeigen einen anhaltenden Abwärtstrend der Windgeschwindigkeit (Tabelle 1), der im Extremszenario SSP5-8.5 dem in Abb. 4 beobachteten entspricht und im Nachhaltigkeitsszenario weniger schnell verläuft SSP1-2.6. Nachlassende Winde können zu einer sinkenden Verdunstung führen, und der prognostizierte (wenn auch höchst unsichere) Anstieg der Niederschläge könnte die Nettoverdunstung weiter verringern. Während diese Effekte die Entsalzungsströme ausgleichen würden, zeigt das Kastenmodell (unten), dass die größte Auswirkung des Klimawandels auf den Salzgehalt vom prognostizierten Anstieg der Lufttemperatur ausgehen könnte.

Das küstennahe Wasservolumen der −30 m-Isobathe beträgt etwa 1900 Milliarden m\(^{3}\) und macht 24 % des Gesamtvolumens des Golfs aus37. Bei der derzeitigen Kapazität beträgt die gesamte Süßwasseraufnahme aus der Entsalzung in einem Jahr etwa 0,4 % des Küstenvolumens, und wenn die Aufnahme auf 120 Millionen m\(^{3}\) Tag\(^{-1}\) ansteigt, es würde 2 % davon überschreiten. Die Entsalzung ist somit mit einem Zeitrahmen verbunden, der von 250 Jahren unter gegenwärtigen Bedingungen bis zu weniger als 50 Jahren reicht, wenn die Entsalzung das hier betrachtete höchste Ende der Süßwasserproduktion erreicht (120 Millionen m\(^{3}\) Tag\(^{-1). }\), was die aktuellen Prognosen für 2050 übertrifft13). Diese Zeitskala sollte mit den typischen Zeitskalen des Wasseraustauschs durch die Straße von Hormus verglichen werden. Die Spülzeit ist definiert als das Verhältnis zwischen dem Volumen eines Gewässers und der Größe seiner Austauschströme. Der Golf hat ein Volumen von 7900 Milliarden m\(^{3}\) und tauscht über Hormus19 etwa 0,15 Sv mit dem Indischen Ozean aus (1 Sv = 1 Million m\(^{3}\)s\(^{ -1}\)). Dies führt zu einer geschätzten Spüldauer im gesamten Golf von etwa 1,7 Jahren. Eine entsprechende Größe ist die Verweilzeit, definiert als die durchschnittliche Zeit, die ein Wasserpaket von einem vorgegebenen Anfangsort aus benötigt, um das Gewässer zu verlassen. Uns sind keine direkten Messungen der Aufenthaltszeiten (z. B. durch Floats) im Golf bekannt, daher verweisen wir auf Modellergebnisse49. In den Untiefen vor der Küste der Vereinigten Arabischen Emirate wird die Aufenthaltszeit auf weniger als zwei Jahre geschätzt. Diese Zeit erhöht sich nur für Wasserparzellen, die in der Bucht von Kuwait beginnen, auf drei Jahre. Selbst das Wasser im Golf von Bahrain wird Schätzungen zufolge in weniger als 2,5 Jahren Hormus erreichen. Für Wasserparzellen, die vor der Küste der −30 m-Isobathe beginnen, wird die Verweilzeit auf zwischen drei Monaten und einem Jahr geschätzt, mit Ausnahme von Startpunkten in unmittelbarer Nähe von Hormuz, deren Verweilzeiten kürzer als ein Monat sein können.

Diese qualitativen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Auswirkungen von Entsalzungsflüssen auf das Salzgehaltsgleichgewicht im gesamten Golf unter den gegenwärtigen Bedingungen möglicherweise nicht erkennbar sind, in einigen zukünftigen Szenarien jedoch messbar werden könnten.

Jährlich gemittelte Änderungen gegenüber dem Basisdurchlauf (heutiges Klima ohne Entsalzung) als Funktion der Entsalzungsflüsse. Die Tafeln zeigen die Änderung des Salzgehalts in den Kisten küstennah (a), küstennah (b) und tief (c). Temperaturänderungen in der tiefen Box werden in Tafel (d) angezeigt. Die Tafeln (e) und (f) zeigen jeweils Veränderungen im Abfluss vom Küstengebiet zum Tiefseegebiet und durch Hormuz. Die vertikalen grauen Linien markieren die aktuellen Entsalzungsflüsse (kontinuierlich), die erwarteten Entsalzungsflüsse bis 2030 (gestrichelt) und die von AGEDI prognostizierten Entsalzungsflüsse im Jahr 2050 (gepunktet).

Ein Basismodelllauf zielt darauf ab, die heutigen Bedingungen ohne Entsalzung zu reproduzieren (Einzelheiten, Parameter und Validierung finden Sie unter „Methoden“). Es wurden acht Szenarien entwickelt, die auf Hypothesen zur Dynamik des Hormus-Ausflusses und zu mit dem Klimawandel verbundenen Phänomenen basieren. Die Änderung der Schlüsselgrößen gegenüber dem Basisdurchlauf wird dann als Funktion der Entsalzungsflüsse quantifiziert (Abb. 5).

Das „Standard“-Szenario geht von einem konstanten, aktuellen Klima aus. Der Salzgehalt in den küstennahen und tiefen Boxen steigt um 0,4 PSU bzw. 0,2 PSU, wenn die Entsalzungsflüsse 120 m\(^{3}\) Tag\(^{-1}\) erreichen. Damit einher geht eine Abnahme des Salzgehalts in der Offshore-Box. Dies wird durch den 7 %igen Anstieg des Abflusses \(q_{H}\) durch Hormuz (aus der tiefen Box, siehe Abb. 2) erklärt, der an der Oberfläche mit einem Zufluss einer gleichen Menge an frischerem Wasser einhergeht vom Indischen Ozean in die Offshore-Box.

Es wurde vermutet, dass der Abfluss von Hormuz zumindest teilweise hydraulisch gesteuert werden könnte19, d. Obwohl die hydraulische Kontrolle für den Golf nicht bestätigt wurde, ist es interessant, ein Szenario mit „festem Abfluss“ zu formulieren, bei dem der Abfluss aus Hormuz konstant gehalten wird und somit nicht durch Änderungen des Salzgehalts oder der Dichte aufgrund von Entsalzungsaktivitäten beeinflusst wird. In diesem Szenario steigt der Salzgehalt in der Küstenbox um das 1,6-fache stärker an als im Standardszenario, und in der tiefen Box steigt der Salzgehalt doppelt so stark an wie im Standardszenario. Da der Zufluss aus dem Indischen Ozean feststeht, ändert sich der Salzgehalt der Offshore-Box nicht.

Eine kürzlich durchgeführte Modellierung der regionalen Ozeanzirkulation in einem zukünftigen Klimaszenario für den Golf berichtet von einem leicht verringerten Tiefenabfluss, der mit einem Anstieg der Tiefenwasserdichte im zentralen Teil des Golfs verbunden ist51. Die Studie versucht nicht, einen plausiblen Mechanismus zu identifizieren, der diese unerwartete umgekehrte Beziehung zwischen Dichte und Volumenströmen verursacht. Dennoch haben wir beschlossen, ein Szenario mit „abnehmendem Abfluss“ zu formulieren, bei dem der Hormuz-Abfluss mit zunehmenden Entsalzungsflüssen abnehmen soll, bis zu einer Reduzierung um 15 % im Vergleich zu den heutigen Werten für Entsalzungsflüsse von 120 m\(^{3} \) Tag\(^{-1}\). Es überrascht nicht, dass dieses Szenario den schnellsten Anstieg des Salzgehalts in den küstennahen und tiefen Boxen erzeugt und den Salzgehaltsanstieg um mehr als 1 psu im Vergleich zum Basisdurchlauf am höchsten Ende des Entsalzungsbereichs beträgt. Dies ist auch das einzige Szenario, in dem der Salzgehalt der Offshore-Box zunimmt.

Die folgenden beiden Szenarien, „geringe Verdunstung“ und „hohe Verdunstung“, verwenden die Basisparameter, aber die jährliche gemittelte Nettoverdunstung wird um 5 % verringert bzw. erhöht. Ein Rückgang der Nettoverdunstung um 5 % würde einer Extrapolation des Trends in Abb. 4 bis zum Ende des Jahrhunderts entsprechen und steht im Einklang mit den SSP5-8.5 CMIP6-Projektionen des IPCC (Tabelle 1). In beiden Fällen zeigt das Modell eine Reaktion auf die Entsalzung analog zum Standardszenario, jedoch versetzt in Richtung der Abschwächung der Entsalzungseffekte bei geringer Verdunstung und in der entgegengesetzten Richtung bei hoher Verdunstung.

Die IPCC-Prognosen ohne wesentliche Emissionsreduzierungen deuten auch auf eine starke Erwärmung der Atmosphäre über dem Golf hin. Somit haben wir ein „Hochtemperatur“-Szenario, das die Basisparameter verwendet, mit Ausnahme der jährlichen durchschnittlichen Lufttemperatur, die um 5 \(^{\circ }\)C erhöht wird. Hohe Lufttemperaturen breiten sich von den Küsten- und Offshore-Boxen in die Tiefsee aus, die sich um mehr als 4 \(^{\circ }\)C erwärmt. Dies wiederum verringert den Dichteunterschied zwischen den tieferen Golfgewässern und dem IOSW, was zu einer Verringerung des Abflusses durch die Meerenge führt. Der Salzgehalt kann sich dann leichter als im Standardszenario in der küstennahen und tiefen Box aufbauen und einen Anstieg von 0,9 PSU im Vergleich zum Basisdurchlauf erreichen.

Das Hochtemperaturszenario wird in den Szenarien „Geringe Verdunstung, hohe Temperatur“ und „Hohe Verdunstung, hohe Temperatur“ weiter modifiziert, indem der Temperaturanstieg mit einer Verringerung bzw. einem Anstieg der jährlichen durchschnittlichen Nettoverdunstung um 5 % einhergeht. Die Ergebnisse dieser beiden Szenarien überlagern sich mit den Hochtemperaturergebnissen. Nach wie vor mildert eine Verringerung der Nettoverdunstung die Auswirkungen der Entsalzung, eine Erhöhung verstärkt sie.

Im Basisdurchlauf und in allen Szenariodurchläufen verlaufen die Volumenflüsse von der Offshore- zur Inshore-Box und von der Inshore- zur Deep-Box sowie vom Reservoir im Indischen Ozean zur Offshore-Box und von dieser in die tiefe Box und zurück zum Stausee im Indischen Ozean. Das heißt, die Dichteunterschiede zwischen den Kästen treiben die Strömung immer in die Richtung der Pfeile in Abb. 2, auch wenn dies keineswegs durch das Modell vorgegeben ist, das Flüsse in entgegengesetzte Richtungen ermöglichen würde, wenn die Dichteunterschiede dies täten diktiert.

Entsalzung ist für viele Länder rund um den Arabischen/Persischen Golf eine unersetzliche Süßwasserquelle. In dieser Region ist die Entsalzung auf ein Niveau gestiegen, das anderswo nicht erreicht wird. Heute übersteigt die Süßwasserproduktion von Pflanzen, die Golfgewässer beziehen, 2 % des Süßwassers, das dem Golf durch Nettoverdunstungsflüsse entzogen wird. In der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts könnte diese Menge auf über 10 % der Nettoverdunstung ansteigen. Dies sind erschreckende Werte, die berechtigte Fragen zur Nachhaltigkeit von Entsalzungsaktivitäten aufwerfen.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Möglichkeit von Salzansammlungen im Golf und insbesondere in seinen flacheren Regionen (küstennah der −30 m-Isobathe). Wir diskutieren nicht, was kurzfristig und in der Nähe einer großen Entsalzungsanlage passieren kann, ein Thema, das in der Literatur bereits große Aufmerksamkeit erregt hat, sondern wir untersuchen langfristige, einzugsgebietsweite Auswirkungen anhand von acht Szenarien, die Folgendes kombinieren: breites Spektrum an Entsalzungsflüssen mit spezifischer Hypothese zur zukünftigen Entwicklung des regionalen Klimas und der dynamischen Natur der Umwälzzirkulation im Golf. Zu diesem Zweck haben wir auf die Verwendung vollwertiger allgemeiner Zirkulationsmodelle verzichtet. Frühere Studien, die in der Einleitung besprochen werden, kamen zu gegensätzlichen Ergebnissen und machten kaum Fortschritte bei der Aufklärung der mechanistischen Ursachen-Wirkungs-Ketten, die zu den berichteten Erhöhungen des Salzgehalts (oder dessen Fehlen) führten. Hier verwenden wir ein Boxmodell, das speziell zur Darstellung der Umwälzzirkulation im Golf entwickelt wurde. Dies ermöglicht es uns, die Grenzen dessen zu identifizieren, was als möglich und realistisch angesehen werden sollte, und die äußeren Bedingungen und inneren Ereignisketten zu identifizieren, die zu einem bestimmten Ergebnis führen.

Unser wichtigstes Ergebnis ist, dass der Salzgehalt des Golfs entscheidend mit dem tiefen Überlauf durch die Straße von Hormus zusammenhängt. Angesichts der Geographie des Golfs mag dies keine überraschende Schlussfolgerung sein, uns sind jedoch keine anderen Studien bekannt, die diesen Zusammenhang eindeutig belegen und seine Konsequenzen untersuchen. Der Anstieg des Salzgehalts küstennah der −30 m-Isobathe, der direkt auf die Entsalzung zurückzuführen ist, wird auf nicht mehr als 0,4 psu geschätzt, selbst am höchsten Ende der von uns berücksichtigten Entsalzungs-Süßwasserproduktion, was weit über den Prognosen für 2050 liegt. Bei den täglichen Entsalzungsflüssen beträgt der Anstieg weniger als 0,1 psu, eine Menge, die praktisch nicht nachweisbar ist. Entsalzungsbedingte Erhöhungen des Salzgehalts über 1 psu können nur unter der Hypothese erreicht werden, dass der Hormuz-Abfluss mit zunehmendem Salzgehaltsgradienten über Hormuz abnimmt. Den Autoren liegen keine Erkenntnisse vor (theoretische oder beobachtende), die das Vorhandensein einer solchen umgekehrten Beziehung im Golf belegen könnten. Der vom Modell vorhergesagte begrenzte Anstieg des Salzgehalts steht im Einklang mit der Tatsache, dass die Spülzeit des Golfs (die Hauptzeitskala für die Reaktion auf Verdunstung oder Entsalzungsantriebe) nur 1,7 Jahre beträgt. Daher reagiert der Golf unter den gegenwärtigen Bedingungen auf Kräfte auf einer Zeitskala, die mit der zwischenjährlichen Variabilität der Nettoverdunstung vergleichbar ist. Daher ist es nicht überraschend, dass ein stetiger Antrieb aufgrund der Entsalzung mit einer Intensität, die mit den zwischenjährlichen Schwankungen der Verdunstung vergleichbar ist (etwa 10 % der gesamten Nettoverdunstung), zu einem Anstieg des Salzgehalts führt, der mit den beobachteten zwischenjährlichen Schwankungen des Salzgehalts vergleichbar ist18. Darüber hinaus führt eine stetige Erhöhung des Salzgehalts (z. B. durch Entsalzung) zu einer Zunahme des Durchflusses durch die Straße von Hormus, was die Spülzeit verkürzt. Diese negative Rückkopplung schränkt die Auswirkung der Entsalzung auf den Salzgehalt weiter ein.

Ein zweiter wichtiger Faktor ist die Lufterwärmung aufgrund des Klimawandels. Die kräftige, dichtebedingte Umwälzzirkulation des Golfs führt belüftete Küstengewässer schnell in den tiefsten Teil des Beckens, wo sie durch die Straße von Hormus aus dem Golf ausgestoßen werden16,52. Das Modell zeigt, dass selbst die im SSP5-8.5-Szenario auftretende extreme Erwärmung nicht ausreicht, um die Bildung von dichtem Wasser in den flacheren Regionen des Golfs auszugleichen, das selbst in diesem Szenario in den tiefsten Teil des Golfs versinkt. Durch diesen Prozess wird jeder regionale Erwärmungstrend in der Atmosphäre schnell auf die tiefen Gewässer des Golfs übertragen, was dazu führt, dass die tiefen Gewässer des Golfs wesentlich leichter sind als unter den heutigen Bedingungen. Dies verringert den Dichtegradienten über Hormuz und damit das Volumen des tiefen Abflusses. Die Erwärmung der Atmosphäre begünstigt somit den Aufbau von Salzgehalt. Doch selbst bei einem Anstieg der Nettoverdunstung um 5 % wird dieser Anstieg im Modell selbst bei den höchsten Entsalzungsstufen innerhalb von 1 PSU eingedämmt. Bei der Interpretation dieser Szenarioergebnisse ist eine gewisse Vorsicht geboten, da im Boxmodell die Beschreibung der Schichtung im tieferen Teil des Golfs äußerst grob ist und durch zwei homogene Wassermassen mit festem Volumen (die „tiefe“ und die „vor der Küste“) angenähert wird " Kisten), übereinander gestapelt. Die quantitativen Details unserer Ergebnisse sollen mit einem realistischen Ozeanzirkulationsmodell überprüft werden. Allerdings deuten sowohl unser Modell als auch die verfügbaren Beobachtungen16 darauf hin, dass die Umwälzzirkulation durch Prozesse angetrieben wird, die in flachen Küstengebieten (der „Inshore“-Box) auftreten, wo die Hypothese der vertikalen Homogenität vernünftig erscheint. Wir sind daher zuversichtlich, dass realistischere Modelle auch in einem Szenario des Klimawandels qualitativ die gleiche Dynamik zeigen würden wie das vorliegende Modell.

Wir müssen betonen, dass die obige Diskussion auf dem Klimaszenario SSP5-8.5 des IPCC basiert, das äußerst pessimistisch ist und wahrscheinlich nicht widerspiegelt, was tatsächlich passieren wird53. Daher identifizieren unsere Klimawandelszenarien Obergrenzen und nicht die wahrscheinlichsten Werte für zukünftige Salzgehaltserhöhungen im Golf. Darüber hinaus gehen wir in unseren Szenarien davon aus, dass sich die IOSW nicht erwärmen, was die Verringerung des Dichtegradienten durch Hormuz übertreibt. Schließlich prognostiziert das IPCC für ein solches Extremszenario eine Abnahme der Windgeschwindigkeit über dem Golf und möglicherweise eine Zunahme der Niederschläge (Tabelle 1), was wiederum zu einer Verringerung der Nettoverdunstung führen würde, was die Auswirkungen etwas abmildern würde Einfluss von Hitze auf den Salzgehalt, wie im Szenario „geringe Verdunstung, hohe Temperatur“.

Eine mögliche Unsicherheitsquelle unserer Schätzungen ist das sogenannte produzierte Wasser. Hierbei handelt es sich um salzhaltiges Wasser, das zusammen mit den Kohlenwasserstoffen aus Erdöl- und Gasbrunnen gepumpt wird. Es wird vor Ort abgetrennt und dann entweder erneut in das Bohrloch eingespritzt oder gereinigt und ins Meer entlassen. Uns sind keine veröffentlichten Daten über das im Golf produzierte Wasser oder seinen Salzgehalt bekannt. Es wird jedoch geschätzt54, dass der jährlich weltweit produzierte Wasserfluss in die Ozeane etwa 700 Millionen m\(^3\) beträgt. Dies entspricht einem globalen Abfluss von etwa 2 Millionen m\(^3\)/Tag, was einer einzelnen sehr großen Entsalzungsanlage entspricht. Wir gehen daher davon aus, dass der Einfluss des geförderten Wassers aus Ölquellen auf den Salzgehalt des Golfs im Vergleich zum Gesamteinfluss von Entsalzungsanlagen nur einen geringen Beitrag leistet, obwohl weitere Daten erforderlich sind, um diese Hypothese auf festem Boden zu stützen.

Die Gewässer des Golfs zeichnen sich bereits durch hohe saisonale und zwischenjährliche Schwankungen des Salzgehalts aus15,18, daher ist es unwahrscheinlich, dass der in unserem Worst-Case-Szenario vorhergesagte Anstieg des Salzgehalts um 1 psu (d. h. „abnehmender Abfluss“) erhebliche Auswirkungen auf die Meere des Golfs haben wird Leben. Tatsächlich stellen die derzeit im Golf lebende Flora und Fauna einen Teil der Biota des westlichen Indischen Ozeans dar55 und sind bereits an extreme Temperatur- und Salzgehaltsverhältnisse sowie große Schwankungen innerhalb und zwischen den Jahren angepasst56,57. Offensichtlich sollte unsere Aussage, dass selbst in einem extremen Szenario des Klimawandels der Salzgehalt im gesamten Golf nicht auf alarmierende Werte ansteigen wird, nicht als Behauptung ausgelegt werden, dass diese Szenarien keine Auswirkungen auf die Biogeochemie und Ökologie des Golfs hätten. Beispielsweise gibt es bereits unter den heutigen Bedingungen immer mehr Hinweise auf das Auftreten von Hypoxie, saisonal im tiefsten Teil des Golfs58 und gelegentlich in flachen Küstenriffen59. Auch die vom Modell vorgeschlagene Erwärmung des tiefsten Teils des Golfs gibt Anlass zur Sorge. Darüber hinaus wurden an anderer Stelle Auswirkungen eines erhöhten Salzgehalts im Zusammenhang mit Soleeinleitungen auf Korallen60, Seegräser61,62,63 und Fische64 berichtet, während empirische Daten zu Golfarten immer noch fast vollständig fehlen, obwohl Hypersalinität mit einer verringerten Diversität von Korallen und Stachelhäutern in Verbindung gebracht wurde ( Seesterne, Seeigel und Verwandte) im Golf21,22,23,24. Der Salzgehalt könnte tatsächlich eine wichtige Rolle bei der Strukturierung der Artenvielfalt im Golf spielen, und es wurden bereits einige gegensätzliche Auswirkungen auf verschiedene Organismen berichtet. Bei Fischen wurden beispielsweise Salzgehaltserhöhungen und Salzgehaltsschwankungen als eine der möglichen Ursachen für Zwergwuchs in Golfpopulationen identifiziert, was auf einen möglichen Anstieg der osmoregulatorischen Kosten und eine damit verbundene verringerte Energieverfügbarkeit für das Wachstum schließen lässt, was schließlich zu einer verringerten Fruchtbarkeit, Wiederauffüllung und langen Lebensdauer der Population führen wird -Termpersistenz25. Andererseits wurde der hohe Salzgehalt des Golfs bei Steinkorallen und Seeanemonen mit einer erhöhten Thermotoleranz und einer verringerten Bleichanfälligkeit in Verbindung gebracht, was auf einen möglicherweise wichtigen Zusammenhang zwischen der Osmoanpassung an hohe Salzgehalte und der Toleranz gegenüber thermischem Stress schließen lässt65,66,67. Daher sind weitere Studien dringend erforderlich, um vollständig zu klären, wie das gegenseitige Zusammenspiel von hohem Salzgehalt, hohen Temperaturen und ihren großen Schwankungen die einzigartigen physiologischen Anpassungen antreibt oder auf andere Weise beeinflusst, die die verschiedenen Meeresökosysteme des Golfs prägen, sowohl unter aktuellen Bedingungen als auch in zukünftigen Modellierungsszenarien .

Zusammenfassend haben wir herausgefunden, dass für einen deutlichen Anstieg des Salzgehalts an der Küste der −30-Isobathe bis zum Ende dieses Jahrhunderts die Einwirkung bisher unbekannter physikalischer Prozesse erforderlich wäre. Im Gegenteil: Sofern die Lufttemperatur nicht so stark ansteigt wie im IPCC-Szenario SSP5-8.5, kann man vernünftigerweise davon ausgehen, dass der Anstieg des Salzgehalts innerhalb von 0,5 psu begrenzt wird, einem Wert, der mit saisonalen und jährlichen Schwankungen vergleichbar ist. Es ist unwahrscheinlich, dass sich dieser begrenzte Anstieg des Salzgehalts direkt auf das Leben im Meer auswirkt, er könnte jedoch eine Rolle in einem verflochtenen Netzwerk physikalischer Faktoren und ökologischer Reaktionen spielen, deren Verständnis erforderlich ist, um bestehende Schwachstellen richtig zu identifizieren und sinnvolle Abhilfestrategien vorzuschlagen.

Unser Boxmodell unterteilt die Golfgewässer in drei idealisierte, homogene Boxen (Abb. 2): Inshore, das die Gewässer zwischen der Küstenlinie und der −30-m-Isobathe darstellt, Offshore, das die Gewässer vor der Küste der −30-m-Isobathe von der Oberfläche abwärts darstellt bis − 30 m Tiefe und tief, was die Offshore-Gewässer unterhalb von − 30 m Tiefe darstellt. Im Golf gibt es zwei dynamisch unterschiedliche Regionen: eine tiefere Region, die von Frühling bis Herbst von kräftigen mesoskaligen Wirbeln dominiert wird, und eine flachere Region, die von Gezeiten und dichtebedingten Strömungen dominiert wird15,18,49,68,69. Die −30-m-Isobathe scheint eine vernünftige Trennschwelle zwischen den beiden Regionen zu sein18,68 und daher haben wir sie zur Definition der Boxen gewählt. Dichteunterschiede bestimmen den Volumenfluss zwischen den drei Boxen. Die Offshore- und Deep-Boxes stehen auch in Kontakt mit den Oberflächengewässern des Indischen Ozeans (IOSW), die der Einfachheit halber als unendliches Wasserreservoir mit konstanter Temperatur und konstantem Salzgehalt modelliert werden. Die Temperatur der Offshore- und Inshore-Boxen sinkt entsprechend einem saisonalen Zyklus auf die Lufttemperatur70. Verdunstungs- und Niederschlagsflüsse werden so vorgegeben, dass sie dem Mittelwert, der Amplitude und der Phase des in Abb. 3 gezeigten saisonalen Zyklus entsprechen. Im Küstenbereich sind auch Entsalzungsflüsse vorgegeben und werden als Kontrollparameter verwendet. Die Modellgleichungen lauten:

wobei \(T_{I}\), \(T_{O}\), \(T_{D}\), \(S_{I}\), \(S_{O}\), \(S_{ D}\) sind Funktionen der Zeit und repräsentieren jeweils die Temperaturen und Salzgehalte der küstennahen, küstennahen und tiefen Boxen. H ist die Heaviside-Schrittfunktion (deren Wert für positive Argumente eins und ansonsten null ist). Die Volumenflüsse \(q_{I}\), \(q_{OD}\), \(q_{H}\) sind definiert als

Sie werden in Richtung der Pfeile in Abb. 2 als positiv angenommen. Wir verwenden eine lineare Zustandsgleichung für die Dichten \(\rho _{i}=\rho _{ref}(1-\alpha T_{i} +\beta T_{i})\) für \(i\in \{I,D,IOSW\}\). Wir werden in unserer Wahl der Ausdrücke für \(q_{I}\) und \(q_{H}\) durch Beobachtungsnachweise gestützt, dass Volumenflüsse im Golf durch Unterschiede in der Bodendichte bestimmt werden16. Der Ausdruck für \(q_{OD}\) wird dann durch die Volumenerhaltung bestimmt. In zwei der acht oben diskutierten Szenarien wird der Fluss \(q_{H}\) durch die Straße von Hormus von außen auferlegt und hängt nicht vom Dichteunterschied über die Straße ab. Im Szenario „fester Abfluss“ wird der Fluss konstant gehalten: \(q_{H}=0,152\) Sv. Im Szenario „abnehmender Abfluss“ nimmt der Fluss linear mit den Entsalzungsflüssen gemäß \(q_{H}=0,152(1-1,25\cdot 10^{-3}D)\) ab. Die Nettoverdunstung \(E_{net}\) und die Referenzatmosphärentemperatur \(T^{*}\) sind Funktionen der Zeit, definiert als:

wobei Y die Länge eines Jahres ist, \(\phi _{net}\) so gewählt wird, dass die maximale Verdunstung Mitte Oktober liegt, \(\phi ^{*}\) so gewählt wird, dass die maximale Lufttemperatur Mitte Oktober erreicht wird. Juli. Die anderen Konstanten, die in allen oben genannten Gleichungen vorkommen, sind in Tabelle 2 zusammen mit ihrem Wert und unterstützenden Referenzen definiert. Ein Basismodelllauf mit den Parameterwerten von Tabelle 2 ergibt nach einem anfänglichen Übergang einen jährlichen Durchschnittssalzgehalt von 41,8 PSU, 37,7 PSU bzw. 39,5 PSU für die Küsten-, Offshore- und Tiefenboxen. Sowohl die küstennahe als auch die tiefe Box weisen jährliche Schwankungen von 0,8 psu auf. Der Salzgehalt in der Offshore-Box schwankt um 0,4 PSU. Die Dichte in der Küstenbox reicht von 1028,2 kg m\(^{-1}\) (erreicht im August) bis 1030,7 kg m\(^{-1}\) (erreicht im Februar); Die Dichte in der Offshore-Box reicht von 1025,1 kg m\(^{-1}\)(August) bis 1027,4 kg m\(^{-1}\)(Februar); Die Dichte in der tiefen Box reicht von 1027,3 kg m\(^{-1}\)(Oktober) bis 1028,3 kg m\(^{-1}\)(April). Der simulierte Fluss \(q_{H}\) durch die Straße von Hormus hat einen Jahresdurchschnitt von 0,152 Sv, mit saisonalen Schwankungen von \(\pm 0,048\) Sv. Trotz der Vereinfachung des Modells und seiner groben Darstellung der vertikalen Schichtung stimmen diese Werte mit den beobachteten Werten überein15,16 (siehe insbesondere Abb. 7a–d, 8 in Swift & Bower). Das Modell ergibt einen Fluss \(q_{I}\) von der Küstenregion zur tiefen Box im Bereich von 0,025 Sv (Juli) bis 0,11 Sv (Januar), was sehr gut mit den OGCM-Simulationen von Al-Shehhi et al. übereinstimmt .52 (siehe Abb. 10). Jedes Szenario, mit Ausnahme des „Standard“-Szenarios, ändert einige der Parameter von Tabelle 2, wie im Abschnitt „Ergebnisse“ angegeben. Für jedes Szenario wird der Entsalzungsfluss im Bereich \(0-120\cdot 10^{6}\) m\(^{3}\) Tag\(^{-1}\) variiert. Bei jeder Entsalzungsstufe wird die Simulation durchgeführt, bis ein stationärer Jahreszyklus erreicht wird. Die Veränderung des Jahresdurchschnitts gegenüber dem Basisdurchschnitt ist in Abb. 5 dargestellt.

Die Box-Modell-Software ist unter https://doi.org/10.5281/zenodo.6519835 öffentlich verfügbar. Die ERA5-Reanalysedaten sind im Copernicus-Datenrepository unter https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#/dataset/reanalysis-era5-single-levels?tab=overview öffentlich verfügbar. Die in Abb. 1 dargestellten Daten zur Entsalzungskapazität sind Eigentum von DesalData https://www.desaldata.com. Für die Verfügbarkeit dieser Daten gelten Einschränkungen, da sie für die aktuelle Studie unter Lizenz verwendet wurden und daher nicht öffentlich verfügbar sind. Daten sind jedoch auf begründete Anfrage und mit Genehmigung von DesalData bei den Autoren erhältlich.

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Dieses Projekt wurde von Tamkeen im Rahmen des Preises CG007 des NYU Abu Dhabi Research Institute für das Water Research Center (Burt, D'Agostino), des Preises CG009 für das Arabian Centre for Climate Change and Environmental Sciences (Burt, Paparella) und des Preises CG002 für finanziert das Zentrum für Stabilität, Instabilität und Turbulenz (Paparella). Für diese finanzielle Unterstützung danken wir herzlich.

Abteilung für Naturwissenschaften, New York University Abu Dhabi, Abu Dhabi, Vereinigte Arabische Emirate

Francesco Paparella und John A. Burt

Arabisches Zentrum für Klima- und Umweltwissenschaften, New York University Abu Dhabi, Abu Dhabi, Vereinigte Arabische Emirate

Francesco Paparella und John A. Burt

Wasserforschungszentrum, New York University Abu Dhabi, Abu Dhabi, Vereinigte Arabische Emirate

Daniele D'Agostino & John A. Burt

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FP, JAB: Studiendesign. FP: Modellieren. FP, DD: Datenerfassung, Datenanalyse. Alle Autoren: Diskussion der Ergebnisse, Schreiben, Bearbeiten.

Korrespondenz mit Francesco Paparella.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Paparella, F., D'Agostino, D. & A. Burt, J. Langfristige Auswirkungen der Entsalzung im Arabischen/Persischen Golf auf den Salzgehalt im Beckenmaßstab. Sci Rep 12, 20549 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25167-5

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Eingegangen: 01. Mai 2022

Angenommen: 25. November 2022

Veröffentlicht: 29. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25167-5

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