Nyt syn på, hvordan havpumper påvirker klimaændringer

Jordens oceaner har en bemærkelsesværdig naturlig evne til at trække kulstof fra atmosfæren og lagre det dybt inde i havets farvande, udøver en vigtig kontrol over det globale klima.

En stor del af den kuldioxid, der udledes, når mennesker forbrænder fossile brændstoffer, for eksempel, optages og lagres i havet via en række processer, der udgør havets kulstofkredsløb. Men, den hurtige hastighed, hvormed kuldioxidemissionerne stiger, betyder, at kredsløbets fremtid er usikker, især når mange af de centrale processer stadig er dårligt forstået. I et nyt papir i bladet Natur , Tom Weber, en assisterende professor i jord- og miljøvidenskab ved Rochester, og hans kolleger, skitserede og kvantificerede kritiske mekanismer involveret i havets kulstofcyklus, specifikt den "biologiske pumpe." Deres nye indsigter kan bruges til at guide klimacomputermodeller til bedre at forudsige virkningerne af klimaændringer på en opvarmende verden.

Synker dybere ned i havet

Den biologiske pumpe beskriver summen af ​​alle de biologiske processer, der overfører kuldioxid fra atmosfæren til det dybe hav. Små marine planter, kendt som planteplankton, tage kuldioxid fra overfladehavet for at producere biomasse. Biomassen klumper sig sammen til partikler, som derefter synker til det dybe hav. I det dybe hav, partiklerne nedbrydes, frigivelse af kuldioxid. "Nettoeffekten er 'pumpning' af CO2 fra atmosfæren til det dybe hav, " siger Weber.

Jo dybere ned i havet en partikel synker, jo længere tid vil det tage kulstoffet at vende tilbage til overfladen og tilbage til atmosfæren. Kulstof frigivet på et par hundrede meters dybde, for eksempel, cirkuleres tilbage til atmosfæren på tidsskalaer på 10 år eller mindre, men hvis partikler synker ned i det dybe hav - dybere end 1, 000 meter - deres kulstof kan lagres i op til 1, 000 år før de vender tilbage til overfladen.

Partikelinjektionspumper

Forskere troede tidligere, at overførslen af ​​partikler fra overfladen til det dybe hav skete blot ved at synke under tyngdekraften - hvad Weber og hans kolleger anser for den "biologiske gravitationspumpe." Imidlertid, i de sidste par år, forskere har anerkendt andre processer, der er vigtige for at overføre kulstof fra overfladevand til det dybe hav. Som beskrevet i avisen, disse omfatter den fysiske blanding af havet med vinden, ved store havstrømme, og ved biologisk transport via dyr såsom små fisk, der æder biomassepartiklerne i overfladen og udskiller dem i dybden. Forskerne omtaler disse processer samlet som "partikelinjektionspumper" (PIP'er), fordi de kan "injicere" partikler til meget dybere dybder - i forhold til simpel tyngdekraftsafvikling - før nedbrydning sker, og kulstoffet frigives.

"Det er en meget mere effektiv måde at trække kulstof fra overfladen ud i det dybe vand, " siger Weber.

Weber og hans kolleger kombinerede observationsbeviser og nye modelberegninger for for første gang at kvantificere, hvor meget kulstof der overføres af PIP'erne. De fandt ud af, at PIP'er er en meget mere indflydelsesrig faktor end tidligere antaget:kollektivt, de er ansvarlige for lige så meget kulstoflagring i havet som den biologiske gravitationspumpe.

Havets kulstofkredsløb og klimaændringer

Fordi havets kulstofkredsløb påvirkes af miljøændringer i lys, temperatur, og tilgængelighed af næringsstoffer, forskerne kan bruge deres nye resultater til at forbedre klimamodeller og bedre forudsige, hvordan havets kulstofkredsløb vil reagere på fremtidige globale klimaændringer, siger Weber. "Hvis vi vil have en vis forudsigelseskraft med hensyn til den biologiske pumpe, vi skal forstå alle mekanismerne og udstyre vores globale klimamodeller med en komplet repræsentation."

Havets kulstofcyklus påvirkes især af klimaændringer på grund af opvarmning af havvand. Det dybe hav er fyldt med kulde, tæt, og næringsrigt vand, mens overfladehavet er varmere og lettere. For at opretholde den biologiske produktivitet, vinden rører havvandene, blande dem for at bringe det næringsrige vand op til overfladen. Når havets temperatur stiger på grund af klimaændringer, imidlertid, tæthedsforskellen mellem vandet i overfladehavet og vandet i det dybe hav øges, gør det sværere for havet at blande sig, siger Weber. "Satellitregistreringer viser, at overfladehavets samlede produktivitet er faldende, fordi omrøringen af ​​næringsstoffer bliver mindre effektiv."

Webers nye forskning tilføjer endnu en "rynke til problemet, " siger han. Tidligere visninger af den biologiske pumpe indikerede, at en reduceret havblandingshastighed ville sænke produktiviteten, men "ikke rigtig påvirke andre processer i den biologiske pumpe:når først du producerer partiklerne, tyngdekraften alene ville få dem til at synke og nedbrydes." Den nye opfattelse, imidlertid, indikerer, at en opbremsning i blandingen også vil formindske PIP'erne, som er afgørende for havets kulstofkredsløb som "meget effektive eksportmekanismer, der får partiklerne pæne og dybe, hvor kulstoffet kan opbevares længere, "Siger Weber.

Hvis partikler ikke bringes dybt ned i havet, dette kan, på tur, feed back på klimaændringer. "Hvis kuldioxid frigives på mindre dybder, det slipper hurtigere ud i atmosfæren, betyder mere kuldioxid i atmosfæren, hvor det bidrager til den globale opvarmning."