气候变化正在迅速升温地球，改变生产我们食物的陆地和海洋生态系统。在海洋中，大部分来自气候变暖的额外热量仍然在地表附近，需要几个世纪的时间才能进入更深的海域。但是，当这发生时，它将改变海洋环流模式，并使海洋食物链的生产力下降。
在最近的一项研究中，我与五所大学和实验室的同事共同研究了到2300年气候变暖如何影响海洋生态系统和全球渔业。我们想知道持续变暖将如何改变支持微型浮游生物的关键营养物质的供应，而浮游生物又是鱼类的食物。
我们发现，这种规模的变暖将改变驱动海洋生态系统的关键因素，包括风，水温，海冰覆盖和海洋环流。由此产生的干扰会将地表水中的营养物质转移到深海中，从而减少表面的浮游生物生长。
随着海洋生态系统随着时间的推移日益缺乏养分，我们估计全球鱼类捕获量可能会减少23％，在北大西洋减少近60％。这将是数百万人口的主要食物来源的巨大减少。
海洋食品生产和生物泵
当太阳照射到海洋表面时，海洋食物生产就开始了。单细胞大多数微生物称为浮游植物 – 海洋植物 – 利用太阳光进行光合作用并在称为净初级生产的过程中生长。他们只能在阳光照射的海洋表层，下至约100米（330英尺）处做到这一点。但他们
浮游物被浮游动物（小动物）消耗掉，这些浮游动物反过来为小鱼提供食物，从食物链一直到海豚和鲨鱼等顶级食肉动物。未消耗的浮游植物和其他有机物质，如死亡的浮游动物和鱼类，会在地表水体中分解，释放出支持新浮游植物生长的养分。
其中一些物质沉入深海，为深海生态系统提供食物。这种沉没的有机物质中的碳，氮，磷和其他营养物质最终被分解并在深处释放。
这个被称为生物泵的过程不断从地表水中去除营养，并将它们转移到更深的海洋。在正常情况下，风和洋流引起混合，最终将营养物质带回阳光照射的地表水域。如果没有发生，浮游植物最终会完全用尽营养，这将影响整个海洋食物链。
海冰，风和养分上涌
沉入深海的营养物质最终会返回到南极周围的南大洋表面。在南极北部，强大的西风促使地表水远离南极洲。当发生这种情况时，富含营养物质的深海水域上升到南极周围的水面，取代正在推开的水域。发生这种上升的区域称为南极发散。
今天，南大洋没有太多的浮游植物生长。沉重的海冰覆盖防止太阳光照射到海洋。水中的铁（另一种主要营养物质）浓度很低，冷水温度限制浮游生物的生长速度。因此，该地区上升的大部分氮和磷在地表水中向北流动。最终，当这些营养物质到达整个低纬度的温暖水域时，它们将支持大部分太平洋，印度洋和大西洋海洋的浮游生物生长。
在深海捕捞营养物质
我们的研究表明，持续的多世代全球变暖可能会使这一过程短路，使得这个南极地区以北的所有海域越来越缺乏氮和磷。
我们使用气候模型模拟，假设各国继续使用化石燃料，直到全球储量耗尽。这条气候通道将使平均地表气温在2300年时上升9.6摄氏度（17.2华氏度） – 接近迄今为止记录的超过工业化前水平的10倍。科学家们已经知道，两极的变暖速度比地球其他地方要快，在这种情况下，这种模式还在继续。最后，即使在冬季，海洋也不会在两极附近结冰。
温暖的海洋没有海冰，在强烈气候变暖驱动的风的变化的帮助下，将大大改善南极洲对浮游植物的生长条件。这种增长的增长将会捕获南极附近的营养物质，阻止它们向北流动并支持全球的低纬度生态系统。
在我们的模拟中，这些被困的营养物质最终会混合回深海并在那里堆积。海洋上部1000米（3,300英尺）的氮和磷浓度稳步下降。在2000米以下的深海中，它们稳步增加。
鱼少得多
随着海洋生态系统越来越缺乏养分，全世界大多数海洋的浮游植物生长和净初级生产将下降。我们估计，随着这些影响波及食物链，全球鱼类捕捞量可能会减少23％，在北大西洋和其他几个地区减少50％以上。此外，在我们的模拟结束时，营养物质向深海的净转移仍在发生，这表明生态系统生产力和潜在的渔业捕捞量将进一步下降超过2300年。
最终，一千多年后，人类活动增加到大气中的大部分二氧化碳将被海洋吸收，地球气候将冷却下来。海冰将返回极地海洋，抑制南极周围的浮游植物生长，并允许更多向上的营养物再次流向北部的低纬度地区。但即使如此，海洋环流还需要几个世纪才能充分补充海洋上层的养分。
海洋资源今天已经受到重视。世界上大约90％的海洋渔业都被完全捕捞或过度捕捞。世界人口预计将从2015年的73亿增加到2100年的110亿。我们在研究中发现的影响将对全球粮食安全产生严重影响。扩大水产养殖，甚至更激烈的步骤，例如直接施肥海洋以促进浮游生物生长，甚至不会弥补因持续全球变暖而导致深海养分流失。
我们的模拟基于强烈的气候变暖情景。需要更多的研究来探索气候融化海冰以及启动南大洋营养俘获的温暖程度。但显然这是一个我们不想跨越的临界点。