Sporing af kulstof fra havoverfladen ned i dybet

Som katastrofale storme, oversvømmelser, og brande bliver mere almindelige i USA og andre steder, mennesker er lige begyndt at sætte pris på nogle af virkningerne af global opvarmning. Men disse påvirkninger ville være meget værre, hvis havet ikke havde absorberet omkring 45 procent af den kuldioxid, mennesker har frigivet siden begyndelsen af ​​den industrielle revolution. Selvom forskere længe har vidst, at havene optager meget kuldioxid, detaljerne i denne proces er stadig uklare. MBARI-marinkemikeren Andrea Fassbender forsøger at bringe denne proces i fokus ved at studere, hvornår, hvor, og hvordan kulstof bevæger sig mellem atmosfæren, øvre ocean, og dybt hav.

Det grundlæggende i denne kulstofcyklusproces er relativt godt forstået. Når koncentrationen af ​​kuldioxid er højere i atmosfæren end i havets overfladevand, kuldioxid fra atmosfæren vil opløses i havet. Noget af denne kuldioxid bruges af mikroskopiske alger, der inkorporerer kulstof i deres kroppe, når de vokser og formerer sig i det solbeskinnede overfladevand.

Når de mikroskopiske alger indtages af dyr og mikrober, kulstoffet i deres kroppe overføres til disse organismer, som transporterer kulstoffet i deres kroppe eller frigiver det som affald til det omgivende vand. Det meste af dette kulstof forbliver inden for omkring 100 meter fra havoverfladen, hvor det nemt kan vende tilbage til atmosfæren, især i vintermånederne, når havvandene er mere opslidte og koncentrationen af ​​alger er lavere.

Imidlertid, en lille, men meget vigtig mængde af dette kulstof synker til dybere vand, hundreder til tusinder af meter under havoverfladen. Noget af dette kulstof føres ned i dybet i form af marin sne – små pletter af døde alger og dyr, affaldsmateriale, og slim. Jo længere nede dette kulstof synker, jo længere tid vil det sandsynligvis blive opbevaret i havet, før det kommer i kontakt med atmosfæren igen.

Hvis kulstoffet synker dybt nok til, at det er usandsynligt, at det bliver båret tilbage til overfladen ved vinterblanding, det anses for at være eksporteret fra overfladevandet. Hvis kulstoffet når dybder, hvor det er usandsynligt, at det vil blive båret tilbage til overfladen i hundreder af år eller mere, det anses for at være sekvestreret i dybhavet.

Oceanografer kalder denne vertikale kulstoftransportproces for den biologiske pumpe, og det er kernen i meget af Fassbenders forskning. Selvom det overordnede koncept for den biologiske pumpe er relativt enkelt, detaljerne er ekstremt komplicerede og involverer mange indbyrdes relaterede kemikalier, biologiske, og fysiske processer, som varierer fra sted til sted og over tidsskalaer fra minutter til årtusinder. Den biologiske pumpe er også en vigtig komponent i de computermodeller, som forskere bruger til at forudsige global opvarmning.

For fuldt ud at forstå den biologiske pumpe, oceanografer skal måle kulstof i havet i alle dets forskellige former, inklusive:

• Opløst uorganisk kulstof - kulstof i form af simple molekyler opløst i havvand, herunder kuldioxid, kulsyre, bikarbonat, og karbonat
• Partikelformigt organisk kulstof - Kulstof i form af partikler suspenderet i havvand, der er større end omkring en halv mikron (ca. en 90. af diameteren af ​​et menneskehår) på tværs
• Opløst organisk kulstof" - kulstof i form af meget små partikler (mindre end ca. en halv mikrometer i diameter) og i opløste organiske forbindelser, såsom dem, der frigives under nedbrydning af døde dyr, alger, og marin sne

Fassbender har det seneste år været aktivt involveret i en række forskningsprojekter og publikationer med fokus på kulstofkredsløb i havet, med vægt på den biologiske kulstofpumpe og de processer, der styrer, hvordan havene optager menneskeskabt kulstof. Den følgende tekst beskriver noget af dette banebrydende arbejde.

Årstidernes betydning i havet

I september 2018 offentliggjorde Fassbender en forskningsartikel i Globale biogeokemiske kredsløb der fremhævede vigtigheden af ​​sæsonbestemte ændringer i kuldioxidkoncentrationer i forskellige dele af havet.

Kuldioxidgas er mere opløseligt i koldt vand end varmt vand. Som resultat, sæsonbestemt opvarmning af overfladevand i løbet af foråret og sommeren øger partialtrykket af kuldioxidgas i havvand (partialtrykket af en gas er direkte relateret til dens koncentration). Imidlertid, mikroskopiske alger vokser hurtigt i løbet af foråret og sommeren, forbrug af kuldioxid. I nogle indstillinger modvirker dette effekten af ​​opvarmende vand.

Fordi kuldioxidgas er mere opløselig i koldt vand, sæsonbestemt afkøling af havet om vinteren får partialtrykket af kuldioxidgas til at falde. Ud over, turbulens fra vinterstorme bringer dybt vand, rig på kuldioxid, op mod overfladen om vinteren, som arbejder for at modvirke påvirkningen af ​​køligere vand.

Disse processer er fælles for alle havområder, men deres timing og størrelse kan variere fra sted til sted, resulterer i unikke sæsonbestemte cyklusser af kuldioxid i overfladevandet.

Som et resultat af de ovenfor beskrevne processer, havområder på høje breddegrader optager typisk kuldioxid fra atmosfæren i forårs- og sommermånederne på grund af biologisk aktivitet og frigiver kuldioxid til atmosfæren i løbet af efteråret og vinteren som følge af dyb blanding.

I områder med lav breddegrad (tættere på ækvator), sæsonbestemte ændringer i vandtemperaturen dikterer i høj grad variationerne i overfladehavets kuldioxid. Resultatet er, at disse områder har en tendens til at have højere partialtryk af kuldioxidgas om sommeren og lavere værdier om vinteren.

Fassbenders nylige papir viste, at menneskeskabt kulstof, der kommer ind i havene, vil ændre disse sæsonbestemte cyklusser, for eksempel, ved at forstærke sæsonens ekstremer på en måde, der er asymmetrisk. For eksempel, nogle regioner kan udvise større vækst i sommerens maksimum end i vinterens minimum kuldioxidniveau over tid, forårsager en samlet stigning i rækken af ​​sæsonbestemte kuldioxidvariationer.

Dette fund har vigtige konsekvenser for, hvordan havets kulstofoptagelse kan ændre sig i fremtiden. Derudover det tyder på, at forskere er nødt til at foretage observationer, der strækker sig over hele året for nøjagtigt at estimere langsigtede tendenser i overfladen af ​​havets kuldioxidgasindhold, fordi tendenserne om vinteren og sommeren måske ikke er de samme.

At samle feltforskere og modelbyggere

Selvom forskerne absolut har brug for flere kulstofmålinger om vinteren i områder med høj breddegrad af havet, der er mange andre havområder, hvor detaljerne om kulstofcykling ikke er godt forstået. For eksempel, de såkaldte "vestlige grænsestrømme, "såsom Golfstrømmen i det nordvestlige Atlanterhav og Kuroshio-strømmen i det nordvestlige Stillehav, er afgørende for transport af varme og kulstof rundt i verdenshavet.

I efteråret 2017, Fassbender var med til at organisere en workshop på MBARI, hvor feltforskere og computermodelleringseksperter kunne diskutere kulstofkredsløb i vestlige grænsestrømme. De primære mål med workshoppen var at få observationsforskere og modelbyggere sammen for at sammenligne deres resultater og foreslå metoder til at udfylde hullerne i forskernes forståelse af disse områder. De var især interesserede i at indsamle nye data, der vil forbedre computermodeller af havets kulstofkredsløb.

Workshoppen var medsponsoreret af US Climate Variability and Predictability Program (CLIVAR) og US Ocean Carbon and Biogeochemistry Program. Efter workshoppen udarbejdede og redigerede Fassbender og kolleger en rapport, der opsummerer nøglespørgsmål og anbefalinger relateret til kulstofcykling i vestlige grænsestrømme, som blev offentliggjort i august 2018 og præsenteret for den amerikanske CLIVAR Inter-Agency Group i oktober 2018.

Forbedring af satellitbaserede estimater af opdatering af havets kulstof

NASA tager en anden tilgang til den globale udfordring, året rundt, hav-kulstofovervågning. På samme tid som hendes nylige papir udkom i Global Biogeochemical Cycles, Fassbender og andre MBARI-forskere var involveret i et stort felteksperiment kaldet Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS), som blev finansieret af NASA og National Science Foundation.

I løbet af sommeren 2018 EXPORTS forskningskrydstogt, to store oceanografiske forskningsfartøjer og videnskabsmænd fra over 15 projekthold og adskillige amerikanske forskningsinstitutioner tog ud til det nordlige Stillehav for at indsamle data om den biologiske pumpe, ved hjælp af en bred vifte af state-of-the-art laboratorieinstrumenter, autonome sensorer og robotter, og satellitter.

Satellitter giver en langsigtet, global udsigt over havet. Imidlertid, satellitbaserede sensorer, for det meste, kun observere de øverste lag af havet. Dermed, et primært mål med EXPORTS-eksperimentet var at teste detaljerne i den biologiske pumpe og deres relation til optiske egenskaber i vandsøjlen (som kan observeres af satellitter). Det betød at grave i det fysiske, kemisk, og biologiske processer involveret i den biologiske pumpe.

Ved at lære mere om mekanismerne involveret i den biologiske pumpe, forskerne håber at kunne forbedre satellitbaserede estimater af, hvor meget kulstof der eksporteres til dybhavet. Ved at sammenligne overflade- og undergrundsobservationer i det nordlige Stillehav (såvel som i Nordatlanten under et andet eksperiment i 2020), NASA- og NSF-finansierede forskere vil udvikle bedre metoder til at bruge satellitobservationer til at studere det marine kulstofkredsløb.

Under EKSPORT-eksperimentet, Fassbender og hendes kolleger brugte robotter, drivende havkemi-flydere, og andre automatiserede instrumenter til at måle fysiske og biologiske processer i det nordøstlige Stillehav, både i overfladen og i dybet. Flyderne vil blive på havet i årevis ad gangen, giver Fassbender og hendes kolleger mulighed for at vurdere, hvor meget kulstof der er lagret på forskellige dybder i havet og på forskellige tidspunkter af året. Holdet er lige begyndt at analysere dataene fra disse instrumenter.

Havforsuring i det nordvestlige Stillehav

Alle de ovennævnte projekter viser vigtigheden af ​​at indsamle nye data, der viser, hvordan kulstofkemien i havet ændrer sig i løbet af året. Men Fassbender er også interesseret i historiske målinger og langsigtede tendenser inden for kulstofkemi, herunder processen med havforsuring.

Havforsuring opstår, når kuldioxid opløses i havets overfladevand, mindske koncentrationen af ​​carbonationer, og får havvandet til at blive mere surt. I juli 2018, Fassbender og hendes kolleger offentliggjorde et papir i Earth System Science Data, der fokuserede på havforsuring omkring Washington State - et område, hvor kystskaldyrindustrien måske allerede oplever virkningerne af at ændre havkemi.

Ved udarbejdelsen af ​​dette papir, Fassbender og hendes medforfattere indsamlede og analyserede stort set alle eksisterende og historiske data om kulstofkemi for denne region - omkring 100, 000 målinger i alt. Dette omfattede historiske data fra "havatlasser" samt data fra forskningsskibe, overvågningsbøjer, og feltforsøg.

Denne undersøgelse var unik, fordi den gav moderne basisinformation om sæsonvariationen af ​​talrige data om havets kulstof i hele regionen - information, der ikke eksisterede tidligere. Disse kulstofdata inkluderede overflade havvands pH (surhed), carbondioxid, opløst uorganisk kulstof, total alkalitet, og mætningstilstanden af ​​aragonit (et mineral, der udgør skallerne af mange marine organismer). De kompilerede data vil tjene som en værdifuld reference, der vil hjælpe forskere med at opdage ændringer i havvandets kemi i denne region i løbet af de kommende år og årtier.

Ud over at give en basislinje, eller følelse af, hvad der i øjeblikket er normalt i havvandene i staten Washington, forskningen fremhævede store forskelle i kulstofkemi mellem det halvt lukkede vand i Puget Sound og det åbne Stillehav. For eksempel, dataene viste, at den sæsonbestemte rækkevidde i overfladehavvandets surhedsgrad i Hood Canal er omkring 27 gange større end i det åbne hav ud for Washington.

Dette fund indikerer, at alger og dyr, der lever i de beskyttede farvande i det nordvestlige Stillehav, er udsat for meget større sæsonbestemte ændringer i surhedsgrad (ud over alle andre evaluerede carbonatsystemvariabler) end dem, der lever i nærliggende åbne havvande.

Den automatiserede fremtid for havkemimålinger

Disse dage, Fassbender fortsætter sit arbejde med kulstofcykling på en række fronter. I løbet af 2019, hun håber at udvikle et nyt kulstof-kemi-instrument til brug på havbøjer og overfladerobotter, der kan opholde sig på havet i flere måneder ad gangen og krydse store områder af havet. Fassbender arbejder sammen med flere ingeniører hos MBARI på dette projekt, samt forskere ved National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) og University of Hawaii.

Et af deres mål er at installere det nye instrument på NOAAs klimaovervågningsbøjer. Eksisterende instrumenter på disse bøjer måler kuldioxid i atmosfæren og i overfladehavet, og nogle bøjer er også udstyret med pH-sensorer. Det nye instrument vil måle opløst uorganisk kulstof ud over kuldioxid, at give forskere ny information om havets kulstofoptagelse og ændringer i havets kemi.

På globalt plan, Fassbender bemærker, at gennem de sidste 10 år, en fælles indsats for at udvide og kompilere helårsobservationer af kuldioxidobservationer i overfladehavet har allerede givet forskerne en større forståelse af, hvor meget kulstof der bevæger sig mellem havet og atmosfæren hvert år. Hun håber, at ved at udvikle nye instrumenter og distribuere dem på platforme rundt om i verden, hun og hendes medforskere vil få værdifuld information om de finere detaljer om kulstofkredsløb i fjerntliggende havområder. Dette til gengæld vil hjælpe med at forbedre de kritiske computermodeller, som videnskabsmænd bruger til at forudsige fremtidens klima på Jorden.