Nowe badania podważają obecne myślenie na temat roli oceanów w magazynowaniu dwutlenku węgla.
Nowy MIT badanie podważa wcześniejsze zrozumienie roli oceanu w zmianie klimatu, wykazując, że słabsza cyrkulacja oceaniczna może nie zmniejszyć się, ale zamiast tego zwiększyć atmosferyczny poziom CO2 poziomy. Odkrycie to wynika z interakcji różnych składników oceanicznych, takich jak żelazo, ligandy i mikroorganizmy, które razem mogą prowadzić do nieoczekiwanego wzrostu stężenia CO2 jeśli cyrkulacja oceaniczna maleje.
Cyrkulacja oceaniczna i zmiany klimatyczne
Przewiduje się, że w miarę postępu zmian klimatycznych cyrkulacja oceaniczna ulegnie znacznemu osłabieniu. Naukowcy szacują, że przy takim spowolnieniu ocean będzie pobierał mniej dwutlenku węgla z atmosfery. Jednak wolniejsza cyrkulacja powinna również wydobyć z głębin oceanu mniej węgla, który w przeciwnym razie zostałby uwolniony z powrotem do atmosfery. Podsumowując, ocean powinien utrzymać swoją rolę w ograniczaniu emisji dwutlenku węgla z atmosfery, choć w wolniejszym tempie.
Nowe podejście do oceanicznego magazynowania dwutlenku węgla
Jednak nowe badanie przeprowadzone przez badacza z MIT wykazało, że być może naukowcy będą musieli ponownie przemyśleć związek między cyrkulacją oceanu a jego długoterminową zdolnością do magazynowania dwutlenku węgla. W miarę słabnięcia oceanu może zamiast tego uwalniać do atmosfery więcej węgla z głębin oceanu.
Powód ma związek z wcześniej niescharakteryzowanym sprzężeniem zwrotnym pomiędzy dostępnym w oceanie żelazem, węglem i składnikami odżywczymi wypływającymi z upwellingu, mikroorganizmami powierzchniowymi i mało znaną klasą cząsteczek znanych ogólnie jako „ligandy”. Kiedy ocean krąży wolniej, wszystkie te podmioty wchodzą w interakcję w samonapędzającym się cyklu, który ostatecznie zwiększa ilość węgla wydalanego przez ocean z powrotem do atmosfery.
Konsekwencje dla działań klimatycznych
„Izolując wpływ tego sprzężenia zwrotnego, widzimy zasadniczo odmienną zależność między cyrkulacją oceaniczną a poziomem węgla w atmosferze, co ma konsekwencje dla klimatu” – mówi autor badania Jonathan Lauderdale, pracownik naukowy na Wydziale Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach MIT . „To, co według nas dzieje się w oceanie, zostało całkowicie obalone”.
Lauderdale twierdzi, że odkrycia pokazują, że „nie możemy liczyć na to, że ocean będzie magazynował dwutlenek węgla w głębinach oceanu w odpowiedzi na przyszłe zmiany w cyrkulacji. Musimy już teraz aktywnie ograniczać emisje, zamiast polegać na naturalnych procesach, które dadzą nam czas na złagodzenie zmiany klimatu”.
Jego badanie opublikowano niedawno w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.
Ponowna ocena roli fitoplanktonu
W 2020 roku Lauderdale prowadził badanie w ramach którego badano składniki odżywcze oceanu, organizmy morskie i żelazo oraz wpływ ich interakcji na rozwój fitoplanktonu na całym świecie. Fitoplankton to mikroskopijne organizmy roślinopodobne żyjące na powierzchni oceanu i spożywające dietę złożoną z węgla i składników odżywczych wydobywających się z głębin oceanu oraz żelaza unoszącego się z pustynnego pyłu.
Im więcej fitoplanktonu może urosnąć, tym więcej dwutlenku węgla może pochłonąć z atmosfery fotosyntezaa to odgrywa dużą rolę w zdolności oceanów do sekwestracji węgla.
Na potrzeby badania przeprowadzonego w 2020 r. zespół opracował prosty model „pudełkowy”, przedstawiający warunki panujące w różnych częściach oceanu jako ogólne pudełka, z których każdy charakteryzuje się inną równowagą składników odżywczych, żelaza i ligandów – cząsteczek organicznych uważanych za produkty uboczne fitoplanktonu . Zespół wymodelował ogólny przepływ między skrzynkami, aby przedstawić szerszą cyrkulację oceanu – sposób, w jaki woda morska opada, a następnie jest wypychana z powrotem na powierzchnię w różnych częściach świata.
Wyzwania związane z zasiewem oceanicznym
Modelowanie to ujawniło, że nawet gdyby naukowcy „zasiali” oceany dodatkową żelazem, żelazo to nie miałoby dużego wpływu na globalny wzrost fitoplanktonu. Powodem był limit ustalony przez ligandy. Okazuje się, że żelazo pozostawione samo sobie jest nierozpuszczalne w oceanie i dlatego niedostępne dla fitoplanktonu. Żelazo staje się rozpuszczalne tylko na „użytecznych” poziomach, gdy jest połączone z ligandami, które utrzymują żelazo w postaci, którą może spożyć plankton. Lauderdale odkrył, że dodanie żelaza do jednego regionu oceanicznego w celu spożycia dodatkowych składników odżywczych pozbawia inne regiony składników odżywczych niezbędnych do wzrostu fitoplanktonu. Zmniejsza to produkcję ligandów i dostarczanie żelaza z powrotem do pierwotnego obszaru oceanicznego, ograniczając ilość dodatkowego węgla, który byłby pobierany z atmosfery.
Odwracanie założeń w modelowaniu oceanów
Po opublikowaniu przez zespół wyników badania Lauderdale przekształcił model pudełkowy w formę, którą mógł udostępnić publicznie, uwzględniając wymianę dwutlenku węgla w oceanach i atmosferze oraz rozszerzyć pudełka tak, aby reprezentowały bardziej zróżnicowane środowiska, takie jak warunki podobne do Pacyfiku, Północnego Atlantyku, i Ocean Południowy. W trakcie testował inne interakcje w ramach modelu, w tym wpływ zmiennej cyrkulacji oceanicznej.
Przeprowadził model przy różnej sile cyrkulacji, spodziewając się mniejszej ilości atmosferycznego dwutlenku węgla przy słabszym wywróceniu się oceanu – zależność tę potwierdziły poprzednie badania, sięgające lat 80. XX wieku. Zamiast tego odkrył wyraźny i odwrotny trend: im słabsza cyrkulacja oceanu, tym więcej CO2 nagromadzone w atmosferze.
Nowe spostrzeżenia na temat zmiennych stężeń ligandów
„Myślałem, że zaszła jakaś pomyłka” – wspomina Lauderdale. „Dlaczego poziom węgla w atmosferze rósł w złym kierunku?”
Sprawdzając model, odkrył, że parametr opisujący ligandy oceaniczne pozostawiono „włączony” jako zmienną. Innymi słowy, model obliczał stężenie ligandów w zależności od zmiany regionu oceanu.
Mając przeczucie, Lauderdale „wyłączył” ten parametr, co spowodowało, że stężenie ligandów było stałe w każdym modelowanym środowisku oceanicznym, co jest założeniem przyjętym zazwyczaj w wielu modelach oceanów. Ta jedna zmiana odwróciła trend, z powrotem do zakładanej zależności: słabsza cyrkulacja doprowadziła do zmniejszenia ilości dwutlenku węgla w atmosferze. Który jednak trend był bliższy prawdy?
Lauderdale przyjrzał się skąpym dostępnym danym na temat ligandów oceanicznych, aby sprawdzić, czy ich stężenia w rzeczywistym oceanie są bardziej stałe, czy zmienne. Znalazł potwierdzenie w GEOTRACES, międzynarodowym badaniu koordynującym pomiary pierwiastków śladowych i izotopów w oceanach świata, które naukowcy mogą wykorzystać do porównania stężeń w poszczególnych regionach. Rzeczywiście, stężenia cząsteczek były różne. Jeśli stężenie ligandów rzeczywiście zmienia się w zależności od regionu, jego nowy, zaskakujący wynik prawdopodobnie odzwierciedla prawdziwy ocean: słabsza cyrkulacja prowadzi do większej ilości dwutlenku węgla w atmosferze.
„To jedna dziwna sztuczka, która zmieniła wszystko” – mówi Lauderdale. „Przełącznik ligandów ujawnił zupełnie inną zależność między cyrkulacją oceaniczną a atmosferycznym CO2 co wydawało nam się, że rozumiemy całkiem dobrze”.
Badanie wpływu cyrkulacji na klimat
Aby zobaczyć, co może wyjaśnić odwrócenie trendu, Lauderdale przeanalizował aktywność biologiczną oraz stężenia węgla, składników odżywczych, żelaza i ligandów z modelu oceanu przy różnych siłach cyrkulacji, porównując scenariusze, w których ligandy były zmienne lub stałe w różnych polach.
Ujawniło to nowe sprzężenie zwrotne: im słabsza cyrkulacja oceanu, tym mniej węgla i składników odżywczych ocean wyciąga z głębin. Jakikolwiek fitoplankton na powierzchni miałby wówczas mniej zasobów do wzrostu i w rezultacie wytwarzałby mniej produktów ubocznych (w tym ligandów). Przy mniejszej liczbie dostępnych ligandów na powierzchni można byłoby wykorzystać mniej żelaza, co jeszcze bardziej ograniczyłoby populację fitoplanktonu. Byłoby wówczas mniej dostępnego fitoplanktonu, który mógłby absorbować dwutlenek węgla z atmosfery i pochłaniać węgiel wyniesiony z głębin oceanu.
„Moja praca pokazuje, że musimy uważniej przyjrzeć się wpływowi biologii oceanów na klimat” – zauważa Lauderdale. „Niektóre modele klimatyczne przewidują 30-procentowe spowolnienie cyrkulacji oceanicznej z powodu topnienia pokryw lodowych, szczególnie wokół Antarktydy. To ogromne spowolnienie wywracającej się cyrkulacji może w rzeczywistości stanowić duży problem: oprócz wielu innych problemów klimatycznych ocean nie tylko pochłaniałby mniej antropogenicznego CO2 z atmosfery, ale mogłoby to zostać wzmocnione przez odgazowanie netto węgla z głębin oceanicznych, co doprowadziłoby do nieprzewidzianego wzrostu stężenia CO w atmosferze2 i nieoczekiwane dalsze ocieplenie klimatu”.
Odniesienie: „Sprzężenie zwrotne cyklu żelaza w oceanie oddziela atmosferyczne CO2 z południkowego wywrócenia się zmian w cyrkulacji”, Jonathan Maitland Lauderdale, 8 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49274-1
