Các nhà nghiên cứu tại Trạm Hải dương Helgoland, một cơ sở nghiên cứu của Viện Alfred Wegener, đã định lượng tần suất và cường độ của các đợt nắng nóng này cùng với hậu quả của chúng đối với sinh vật phù du. Họ cũng đã tiến hành một thí nghiệm cho cộng đồng sinh vật phù du Biển Bắc tiếp xúc với các kịch bản ấm hơn trong tương lai khác nhau, có và không có nắng nóng. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự ấm lên dần dần gây ra những thay đổi đáng kể trong quang phổ loài. Tuy nhiên, khi có thêm nắng nóng, những thay đổi này được khuếch đại. Kết quả đã được công bố trên ba ấn phẩm, gần đây nhất là trên Limnology and Oceanography.

Từ mực nước biển dâng cao và sự du nhập của các loài mới đến nhiệt độ tăng 1,9°C kể từ năm 1962, có bằng chứng rõ ràng cho thấy Biển Bắc đang thay đổi nhanh hơn hiện nay so với hàng thiên niên kỷ. Tuy nhiên, xét đến việc biến đổi khí hậu diễn ra trong thời gian dài - ít nhất là theo quan điểm của con người - những thay đổi này có vẻ chậm và dần dần, có lẽ không quá nghiêm trọng, vì nhiều sinh vật có thể thích nghi dần dần. "Tuy nhiên, câu đố này thiếu một mảnh ghép quan trọng", Tiến sĩ Cédric Meunier cho biết. "Và đó là sóng nhiệt biển". 

Meunier nghiên cứu hệ sinh thái của các hệ thống biển thềm lục địa tại Trạm biển Helgoland (BAH), nơi đã trở thành một phần của Trung tâm nghiên cứu biển và cực Helmholtz (AWI) thuộc Viện Alfred Wegener vào năm 1998. Hợp tác với các nhà nghiên cứu từ nhiều chuyên ngành khác nhau, Meunier đã tập trung vào các đợt nắng nóng trên biển và tác động tiềm tàng của chúng đối với sinh vật phù du.  

Trong những giai đoạn nắng nóng dữ dội này, nhiệt độ nước tăng đột ngột – thường là do đợt nắng nóng khí quyển trước đó – và duy trì ở mức cao hơn nhiều so với nhiệt độ trung bình trong nhiều ngày. Do tính đột ngột và cường độ của chúng, các nhà nghiên cứu đã đặt mục tiêu xác định cách những đợt nắng nóng này tác động đến các sinh vật. Họ đã phân tích dữ liệu đo lường lịch sử, kiểm tra tần suất và cường độ của các đợt nắng nóng trong những thập kỷ gần đây cho đến ngày nay và tiến hành một thí nghiệm xem xét tương lai của hệ sinh thái Biển Bắc. Kết quả của họ đã được công bố trong hai bài báo nghiên cứu: một bài tập trung vào quá khứ, trong khi bài còn lại tập trung vào hiện tại. Một bài báo thứ ba hiện đã được công bố và hoàn thành chu kỳ bằng cách tập trung vào tác động trong tương lai của những đợt nắng nóng này.

Phân tích lịch sử của các nhà nghiên cứu được thực hiện nhờ Helgoland Roads, một trong những chuỗi thời gian sinh thái dài nhất và chi tiết nhất thế giới. Nhờ những nỗ lực không biết mệt mỏi của nhiều nhà nghiên cứu, chuỗi thời gian Helgoland Roads đã ghi lại một cách liền mạch hệ sinh thái biển Bắc kể từ năm 1962. Trong quá trình phân tích dữ liệu nhiệt độ, nhà sinh thái học Tiến sĩ Luis Gimenez và các đồng nghiệp của ông đã xác định rằng các đợt nắng nóng trên biển đã xảy ra thường xuyên hơn ở Vịnh Đức trong những thập kỷ gần đây, cho đến tận ngày nay – và cũng kéo dài hơn. Các đợt nắng nóng này phổ biến hơn vào cuối mùa hè, khi nhiệt độ trung bình trong chu kỳ hàng năm đạt mức cao nhất. 

Một nghiên cứu thứ hai cho thấy rằng đợt nắng nóng đã gây ra tác động đáng kể đến các sinh vật. “Chúng tôi đã xác định được những thay đổi đáng kể ở động vật phù du cỡ trung bình, bao gồm cả giáp xác chân chèo, do nhiệt độ tăng tạm thời”, Margot Deschamps, một nhà nghiên cứu khác của BAH giải thích. “Một số nhóm đã bị tiêu diệt sau đợt nắng nóng, ít nhất là tạm thời, trong khi những nhóm khác dường như được hưởng lợi và sinh sôi nảy nở”.

Trong bài nghiên cứu thứ ba, hiện đã được xuất bản trên Limnology and Oceanography, nhóm nghiên cứu đã điều tra những thay đổi tiềm năng trong tương lai. Họ dựa vào một trong những cơ sở mesocosm tiên tiến nhất thế giới tại Trạm Biển Wadden của AWI trên Sylt. Mỗi trong số 30 bể hình trụ (mesocosms) cao 85 cm, rộng 170 cm và chứa khoảng 1.800 lít nước biển. Bằng cách điều chỉnh có mục tiêu đối với nhiệt độ, giá trị pH và hàm lượng chất dinh dưỡng của nước, các nhà nghiên cứu có thể mô phỏng các điều kiện trong thế giới ngày mai. Theo đó, mesocosm hoạt động như những cỗ máy thời gian, vận chuyển sinh vật phù du bên trong chúng vào tương lai.

Trong thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu đã cho sinh vật phù du từ Biển Bắc tiếp xúc với cả điều kiện hiện tại và điều kiện dự báo theo RCP 8.5 – một kịch bản “hoạt động như thường lệ” do Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) định nghĩa. Trong kịch bản này, lượng khí thải CO ₂ của cộng đồng toàn cầu sẽ tiếp tục tăng lên hơn 100 gigaton vào năm 2100, điều này có thể dẫn đến nhiệt độ toàn cầu tăng từ 4 đến 5 °C. Các điều kiện hiện tại và điều kiện “hoạt động như thường lệ” theo RCP 8.5 đã được mô phỏng cả khi không có và có đợt nắng nóng kéo dài 5 ngày khiến nước ấm lên 2 °C so với mức trung bình.

“Kết quả cho thấy biến đổi khí hậu có thể gây ra sự thay đổi ở nhiều cấp độ trong cộng đồng sinh vật phù du, những thay đổi này được khuếch đại hoặc biến đổi thêm bởi các đợt nắng nóng”, Meunier giải thích. “Một số nhóm vi khuẩn được hưởng lợi từ những thay đổi về môi trường này, bao gồm một số vi khuẩn thuộc chi Vibrio , có khả năng gây nguy hiểm cho con người. Trong khi tổng sinh khối của thực vật phù du vẫn không đổi trong kịch bản RCP 8.5, thì thành phần các loài lại thay đổi theo hướng có lợi cho các loài nhỏ hơn. Tác động bổ sung của các đợt nắng nóng đặc biệt có lợi cho các loài coccolithophores, có lớp vỏ canxi cacbonat, và các loài thực vật roi. Những thay đổi thậm chí còn mạnh hơn xảy ra ở các cộng đồng động vật phù du. Chúng tôi quan sát thấy tổng sinh khối giảm trong điều kiện ấm hơn, đặc biệt là đối với các loài mesozooplan có kích thước trung bình. Các đợt nắng nóng bổ sung có tác động đặc biệt tiêu cực đến Noctiluca scintillans, một loài được biết đến với khả năng phát quang sinh học”.

Nhìn chung, ba bài báo nghiên cứu này chứng minh rõ ràng những thay đổi to lớn trong các cộng đồng loài sinh vật phù du Biển Bắc do nhiệt độ toàn cầu liên tục tăng. Tuy nhiên, chỉ tập trung vào nhiệt độ trung bình là không đủ để đưa ra dự báo sinh thái. Nguyên nhân là do các sự kiện ngắn hạn, chẳng hạn như đợt nắng nóng, có thể thay đổi và có khả năng khuếch đại thêm những tác động này. Cédric Meunier cho biết: “Với suy nghĩ này, điều quan trọng là phải theo dõi không chỉ các xu hướng khí hậu dài hạn mà còn cả các sự kiện ngắn hạn, chẳng hạn như đợt nắng nóng”. “Sóng nhiệt biển tác động đến các sinh vật ở cơ sở của chuỗi thức ăn. Điều này có thể gây ra hậu quả cho các cấp độ cao hơn, chẳng hạn như cá”.