Дослідження показує, що слабка циркуляція океану може збільшити накопичення CO₂ в атмосфері

У міру зміни клімату прогнозується, що перекидна циркуляція океану істотно послабиться. За оцінками вчених, з таким уповільненням океан витягне менше вуглекислого газу з атмосфери. Однак повільніша циркуляція повинна також витягувати менше вуглецю з глибин океану, який інакше був би випущений назад в атмосферу. Загалом, океан повинен зберегти свою роль у скороченні викидів вуглецю з атмосфери, хоча й меншими темпами.

Нове дослідження дослідника Массачусетського технологічного інституту, опубліковане в Nature Communications, показує, що вченим, можливо, доведеться переглянути взаємозв’язок між циркуляцією океану та його довгостроковою здатністю зберігати вуглець. Оскільки океан стає слабшим, він може викидати більше вуглецю з глибин океану в атмосферу.

Причина пов’язана з раніше неохарактеризованим зворотним зв’язком між наявним в океані залізом, висхідним вуглецем і поживними речовинами, поверхневими мікроорганізмами та маловідомим класом молекул, відомих загалом як «ліганди». Коли океан циркулює повільніше, усі ці гравці взаємодіють у самовідновлюваному циклі, який зрештою збільшує кількість вуглецю, який океан викидає назад в атмосферу.

«Ізолюючи вплив цього зворотного зв’язку, ми бачимо принципово інший зв’язок між циркуляцією океану та рівнями вуглецю в атмосфері, що має наслідки для клімату», – каже автор дослідження Джонатан Лодердейл, науковий співробітник Департаменту наук про Землю, атмосферу та планети Массачусетського технологічного інституту. .

«Те, що ми думали, що відбувається в океані, повністю перевернуто».

Лодердейл каже, що результати показують, що «ми не можемо розраховувати на те, що океан накопичуватиме вуглець у глибинах океану у відповідь на майбутні зміни в циркуляції. Ми повинні бути активними у скороченні викидів зараз, а не покладатися на ці природні процеси, щоб виграти час, щоб пом’якшити зміну клімату».

У 2020 році Лодердейл очолив дослідження, яке вивчало поживні речовини океану, морські організми та залізо, а також те, як їх взаємодія впливає на ріст фітопланктону в усьому світі.

Фітопланктон — це мікроскопічні рослиноподібні організми, які живуть на поверхні океану та споживають їжу з вуглецю та поживних речовин, які надходять із глибин океану, та заліза, яке надходить із пустельного пилу. Чим більше росте фітопланктон, тим більше вуглекислого газу він може поглинати з атмосфери за допомогою фотосинтезу, і це відіграє велику роль у здатності океану поглинати вуглець.

Для дослідження 2020 року команда розробила просту «коробкову» модель, що представляє умови в різних частинах океану як загальні коробки, кожна з яких має різний баланс поживних речовин, заліза та лігандів — органічних молекул, які вважаються побічними продуктами фітопланктону. .

Команда змоделювала загальний потік між коробками, щоб представити більшу циркуляцію океану — те, як морська вода тоне, а потім повертається на поверхню в різних частинах світу. Це моделювання показало, що навіть якби вчені «засіяли» океани додатковим залізом, це залізо не мало б сильного впливу на глобальний ріст фітопланктону. Причина полягала в обмеженні, встановленому лігандами.

Виявляється, якщо залізо залишити само по собі, воно нерозчинне в океані і тому недоступне для фітопланктону. Залізо стає розчинним лише на «корисних» рівнях, коли з’єднується з лігандами, які зберігають залізо у формі, яку планктон може споживати.

Лодердейл виявив, що додавання заліза в один регіон океану для споживання додаткових поживних речовин позбавляє інші регіони поживних речовин, необхідних для росту фітопланктону. Це знижує виробництво лігандів і постачання заліза назад до початкового регіону океану, обмежуючи кількість додаткового вуглецю, який поглинатиметься з атмосфери.

Несподіваний перехід

Після того, як команда опублікувала своє дослідження, Лодердейл обробив коробкову модель у формі, яку він міг зробити загальнодоступною, включно з обміном вуглецю в океані та атмосфері та розширенням коробок для представлення більш різноманітних середовищ, таких як умови, подібні до Тихого океану, Північної Атлантики, і Південний океан. У процесі він перевірив інші взаємодії в рамках моделі, включно з ефектом зміни циркуляції океану.

Він запустив модель з різними інтенсивностями циркуляції, очікуючи побачити менше вуглекислого газу в атмосфері з меншим перекиданням океану — зв’язок, який підтвердили попередні дослідження, починаючи з 1980-х років. Але натомість він виявив чітку протилежну тенденцію: чим слабша циркуляція океану, тим більше CO2 накопичується в атмосфері.

«Я думав, що сталася якась помилка, — згадує Лодердейл. «Чому рівень вуглецю в атмосфері змінювався неправильно?»

Коли він перевірив модель, він виявив, що параметр, який описує океанські ліганди, був залишений «увімкненим» як змінна. Іншими словами, модель обчислювала концентрації лігандів у міру зміни від одного регіону океану до іншого.

На передчутті Лодердейл вимкнув цей параметр, що встановило концентрації лігандів як постійні в кожному змодельованому океанському середовищі, припущення, яке зазвичай роблять багато моделей океану. Ця одна зміна змінила тенденцію, повернувшись до передбачуваної залежності: слабша циркуляція призвела до зменшення атмосферного вуглекислого газу. Але яка тенденція була ближчою до істини?

Лодердейл подивився на мізерні доступні дані про океанічні ліганди, щоб побачити, чи є їх концентрації більш постійними, чи змінними в реальному океані. Він знайшов підтвердження в GEOTRACES, міжнародному дослідженні, яке координує вимірювання мікроелементів та ізотопів у світовому океані, яке вчені можуть використовувати для порівняння концентрацій від регіону до регіону.

Дійсно, концентрації молекул були різними. Якщо концентрація ліганду дійсно змінюється від одного регіону до іншого, то його несподіваний новий результат, ймовірно, був репрезентативним для справжнього океану: слабша циркуляція призводить до збільшення вуглекислого газу в атмосфері.

«Це один дивний трюк змінив усе», — каже Лодердейл. «Перемикання ліганду виявило цей зовсім інший зв’язок між циркуляцією океану та атмосферним CO₂, який, як ми думали, ми добре розуміємо».

Повільний цикл

Щоб побачити, чим можна пояснити відхилену тенденцію, Лодердейл проаналізував біологічну активність і концентрації вуглецю, поживних речовин, заліза та лігандів з моделі океану за різних інтенсивностей циркуляції, порівнюючи сценарії, коли ліганди були змінними або постійними в різних коробках.

Це виявило новий зворотний зв’язок: чим слабша циркуляція океану, тим менше вуглецю та поживних речовин океан витягує з глибини. Тоді будь-який фітопланктон на поверхні матиме менше ресурсів для росту і, як наслідок, вироблятиме менше побічних продуктів (включаючи ліганди).

З меншою кількістю доступних лігандів менше заліза на поверхні буде придатним для використання, що ще більше зменшить популяцію фітопланктону. Тоді буде менше фітопланктону, доступного для поглинання вуглекислого газу з атмосфери та споживання вуглецю, що піднімається з глибин океану.

«Моя робота показує, що нам потрібно уважніше дивитися на те, як біологія океану може впливати на клімат», — зазначає Лодердейл. «Деякі кліматичні моделі передбачають уповільнення циркуляції океану на 30% через танення крижаних покривів, особливо навколо Антарктиди.

«Це величезне уповільнення перекидання циркуляції насправді може бути великою проблемою: на додаток до безлічі інших кліматичних проблем, океан не тільки поглинатиме менше антропогенного CO₂ з атмосфери, але це може посилюватися чистим викидом газів з глибини океанського вуглецю, що призводить до непередбаченого збільшення атмосферного CO₂ і несподіваного подальшого потепління клімату».