Wraz z postępem zmian klimatycznych przewiduje się, że cyrkulacja wywracająca oceanu znacznie osłabnie. Naukowcy szacują, że przy takim spowolnieniu ocean będzie ściągał mniej dwutlenku węgla z atmosfery. Jednak wolniejsza cyrkulacja powinna również wydobywać mniej węgla z głębi oceanu, który w przeciwnym razie zostałby uwolniony z powrotem do atmosfery. Podsumowując, ocean powinien utrzymać swoją rolę w redukcji emisji dwutlenku węgla z atmosfery, choć w wolniejszym tempie.
Jednak nowe badanie przeprowadzone przez badacza z MIT wykazało, że naukowcy mogą musieć przemyśleć związek między cyrkulacją oceanu a jego długoterminową zdolnością do magazynowania węgla. W miarę jak ocean staje się słabszy, może uwalniać więcej węgla z głębin oceanu do atmosfery.
Powód ma związek z wcześniej nieopisanym sprzężeniem zwrotnym między dostępnym żelazem oceanicznym, unoszącym się węglem i składnikami odżywczymi, mikroorganizmami powierzchniowymi i mało znaną klasą cząsteczek, ogólnie zwanych „ligandami”. Gdy ocean krąży wolniej, wszystkie te elementy oddziałują na siebie w samonapędzającym się cyklu, który ostatecznie zwiększa ilość węgla, który ocean odgazowuje z powrotem do atmosfery.
„Izolując wpływ tego sprzężenia zwrotnego, widzimy fundamentalnie inną relację między cyrkulacją oceaniczną a poziomami węgla w atmosferze, co ma implikacje dla klimatu” — mówi autor badania Jonathan Lauderdale, naukowiec badawczy w Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences w MIT. „To, co myśleliśmy, że dzieje się w oceanie, jest całkowicie odwrócone”.
Lauderdale mówi, że wyniki pokazują, że „nie możemy liczyć na to, że ocean będzie magazynował węgiel w głębi oceanu w odpowiedzi na przyszłe zmiany w cyrkulacji. Musimy działać proaktywnie w celu ograniczenia emisji teraz, zamiast polegać na tych naturalnych procesach, aby kupić nam czas na złagodzenie zmiany klimatu”.
Wyniki jego badań ukażą się w czasopiśmie Nature Communications.
Przepływ pudełkowy
W 2020 r. Lauderdale kierował badaniem, które badało składniki odżywcze oceanów, organizmy morskie i żelazo oraz to, w jaki sposób ich interakcje wpływają na wzrost fitoplanktonu na całym świecie. Fitoplankton to mikroskopijne, roślinopodobne organizmy, które żyją na powierzchni oceanu i spożywają dietę złożoną z węgla i składników odżywczych, które wypływają z głębin oceanu, oraz żelaza, które dryfuje z pustynnego pyłu.
Im większy jest potencjał wzrostu fitoplanktonu, tym więcej dwutlenku węgla może on pochłonąć z atmosfery poprzez fotosyntezę, a proces ten odgrywa dużą rolę w zdolności oceanu do wiązania węgla.
Na potrzeby badania z 2020 r. zespół opracował prosty model „pudełkowy”, przedstawiający warunki w różnych częściach oceanu jako ogólne pudełka, z których każde ma inną równowagę składników odżywczych, żelaza i ligandów — organicznych cząsteczek, które uważa się za produkty uboczne fitoplanktonu. Zespół stworzył model ogólnego przepływu między pudełkami, aby przedstawić większą cyrkulację oceanu — sposób, w jaki woda morska opada, a następnie jest wypychana z powrotem na powierzchnię w różnych częściach świata.
To modelowanie ujawniło, że nawet jeśli naukowcy „zasiali” oceany dodatkowym żelazem, to żelazo nie miałoby większego wpływu na globalny wzrost fitoplanktonu. Powodem był limit ustalony przez ligandy. Okazuje się, że jeśli żelazo pozostanie samo, 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 formie, którą plankton może skonsumować. Lauderdale odkrył, że dodanie żelaza do jednego regionu oceanu w celu skonsumowania dodatkowych składników odżywczych pozbawia inne regiony składników odżywczych, których fitoplankton tam potrzebuje do wzrostu. To obniża produkcję ligandów i dostawę żelaza z powrotem do pierwotnego regionu oceanu, ograniczając ilość dodatkowego węgla, który zostałby pobrany z atmosfery.
Nieoczekiwana zmiana
Gdy zespół opublikował swoje badanie, Lauderdale opracował model pudełkowy w formie, którą mógł udostępnić publicznie, w tym wymianę dwutlenku węgla w oceanie i atmosferze oraz rozszerzył pola, aby reprezentowały bardziej zróżnicowane środowiska, takie jak warunki podobne do warunków na Pacyfiku, Północnym Atlantyku i Oceanie Południowym. W trakcie tego procesu przetestował inne interakcje w ramach modelu, w tym wpływ zmiennej cyrkulacji oceanicznej.
Przeprowadził model przy różnych siłach cyrkulacji, spodziewając się zobaczyć mniej dwutlenku węgla w atmosferze przy słabszym przewracaniu oceanów — związek, który poparły poprzednie badania sięgające lat 80. XX wieku. Ale zamiast tego odkrył wyraźny i przeciwny trend: im słabsza cyrkulacja oceanów, tym więcej CO2 gromadziło się w atmosferze.
„Myślałem, że to jakaś pomyłka” – wspomina Lauderdale. „Dlaczego poziomy węgla w atmosferze zmierzały w złym kierunku?”
Kiedy sprawdził model, odkrył, że parametr opisujący ligandy oceaniczne pozostawiono jako zmienną „włączoną”. Innymi słowy, model obliczał stężenia ligandów jako zmieniające się z jednego regionu oceanicznego do drugiego.
Kierując się przeczuciem, Lauderdale „wyłączył” ten parametr, który ustalił stężenia ligandów jako stałe w każdym modelowanym środowisku oceanicznym, co jest założeniem, które zazwyczaj przyjmuje wiele modeli oceanicznych. Ta jedna zmiana odwróciła trend, wracając do zakładanej zależności: słabsza cyrkulacja doprowadziła do zmniejszenia dwutlenku węgla w atmosferze. Ale który trend był bliższy prawdy?
Lauderdale przyjrzał się skąpym dostępnym danym na temat ligandów oceanicznych, aby sprawdzić, czy ich stężenia były bardziej stałe czy zmienne w rzeczywistym oceanie. Znalazł potwierdzenie w GEOTRACES, międzynarodowym badaniu koordynującym pomiary pierwiastków śladowych i izotopów w oceanach świata, które naukowcy mogą wykorzystać do porównania stężeń z regionu do regionu. Rzeczywiście, stężenia cząsteczek były różne. Jeśli stężenia ligandów zmieniają się w zależności od regionu, to jego zaskakujący nowy wynik prawdopodobnie był reprezentatywny dla rzeczywistego oceanu: słabsza cyrkulacja prowadzi do większej ilości dwutlenku węgla w atmosferze.
„To jest ta dziwna sztuczka, która zmieniła wszystko” — mówi Lauderdale. „Przełączenie ligandów ujawniło zupełnie inną relację między cyrkulacją oceaniczną a atmosferycznym CO2, którą myśleliśmy, że całkiem dobrze rozumiemy”.
Powolny cykl
Aby sprawdzić, co mogłoby wyjaśnić odwróconą tendencję, Lauderdale przeanalizował aktywność biologiczną oraz stężenia węgla, składników odżywczych, żelaza i ligandów z modelu oceanu przy różnej sile cyrkulacji, porównując scenariusze, w których ligandy były zmienne lub stałe w różnych skrzynkach.
Ujawniło to nowe sprzężenie zwrotne: im słabsza cyrkulacja oceanu, tym mniej węgla i składników odżywczych ocean wydobywa z głębin. Każdy fitoplankton na powierzchni miałby wówczas mniej zasobów do wzrostu i w rezultacie wytwarzałby mniej produktów ubocznych (w tym ligandów). Przy mniejszej liczbie dostępnych ligandów mniej żelaza na powierzchni nadawałoby się do wykorzystania, co jeszcze bardziej zmniejszyłoby populację fitoplanktonu. Wówczas byłoby mniej fitoplanktonu dostępnego do pochłaniania dwutlenku węgla z atmosfery i zużywania węgla wynoszonego z głębin oceanu.
„Moja praca pokazuje, że musimy uważniej przyjrzeć się temu, jak biologia oceanów może wpływać na klimat” — zauważa Lauderdale. „Niektóre modele klimatyczne przewidują 30-procentowe spowolnienie cyrkulacji oceanicznej z powodu topnienia pokryw lodowych, szczególnie wokół Antarktydy. To ogromne spowolnienie cyrkulacji odwracającej może być w rzeczywistości dużym problemem: oprócz wielu innych problemów klimatycznych, ocean nie tylko pochłonąłby mniej antropogenicznego CO2 z atmosfery, ale mogłoby to zostać wzmocnione przez netto odgazowanie węgla z głębi oceanu, co doprowadziłoby do nieprzewidzianego wzrostu CO2 w atmosferze i nieoczekiwanego dalszego ocieplenia klimatu”.