Undersøgelse afslører usikkerhed i, hvor meget kulstof havet optager over tid

Havets "biologiske pumpe" beskriver de mange marine processer, der arbejder på at optage kuldioxid fra atmosfæren og transportere det dybt ned i havet, hvor det kan forblive sekvestreret i århundreder. Denne havpumpe er en kraftfuld regulator af atmosfærisk kuldioxid og en vigtig ingrediens i enhver global klimaudsigt.

Men et nyt MIT-studie peger på en betydelig usikkerhed i den måde, den biologiske pumpe er repræsenteret på i klimamodeller i dag. Forskere fandt ud af, at "guldstandard"-ligningen, der bruges til at beregne pumpens styrke, har en større fejlmargin end tidligere antaget, og at forudsigelser om, hvor meget atmosfærisk kulstof havet vil pumpe ned til forskellige dybder, kan være 10 til 15 dele per million.

I betragtning af at verden i øjeblikket udsender kuldioxid til atmosfæren med en årlig hastighed på omkring 2,5 ppm, holdet vurderer, at den nye usikkerhed oversættes til omkring fem års fejl i klimamålfremskrivningerne.

"Denne større fejlbjælke kan være kritisk, hvis vi vil holde os inden for 1,5 graders opvarmning, som er målrettet af Paris-aftalen, " siger Jonathan Lauderdale, en forsker i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber. "Hvis de nuværende modeller forudsiger, at vi har indtil 2040 til at reducere CO2-emissionerne, vi udvider usikkerheden omkring det, at sige, at vi nu har indtil 2035, hvilket kunne være en stor sag."

Lauderdale og tidligere MIT kandidatstuderende B.B. Cael, nu på National Oceanography Center i Southampton, U.K., har offentliggjort deres undersøgelse i dag i tidsskriftet Geofysiske forskningsbreve .

Snekurve

De marine processer, der bidrager til havets biologiske pumpe, begynder med fytoplankton, mikroskopiske organismer, der optager kuldioxid fra atmosfæren, mens de vokser. Når de dør, fytoplankton synker kollektivt gennem vandsøjlen som "marin sne, "bærer det kulstof med sig.

"Disse partikler regner ned som hvid flaget sne, der er alt det døde stof, der falder ud af overfladehavet, " siger Lauderdale.

På forskellige dybder forbruges partiklerne af mikrober, som omdanner partiklernes organiske kulstof og respirerer det ud i det dybe hav i en uorganisk, mineralform, i en proces kendt som remineralisering.

I 1980'erne, forskere indsamlede marin sne på steder og dybder i hele det tropiske Stillehav. Ud fra disse observationer genererede de et simpelt matematisk forhold til magtloven - Martin-kurven, opkaldt efter teammedlem John Martin - for at beskrive styrken af ​​den biologiske pumpe, og hvor meget kulstof havet kan remineralisere og binde på forskellige dybder.

"Martin-kurven er allestedsnærværende, og det er virkelig guldstandarden [bruges i mange klimamodeller i dag], " siger Lauderdale.

Men i 2018 Cael og medforfatter Kelsey Bisson viste, at magtloven afledt til at forklare Martin-kurven ikke var den eneste ligning, der kunne passe til observationerne. Magtloven er et simpelt matematisk forhold, der antager, at partikler falder hurtigere med dybden. Men Cael fandt ud af, at flere andre matematiske sammenhænge, hver baseret på forskellige mekanismer for, hvordan marin sne synker og remineraliseres, kunne også forklare dataene.

For eksempel, et alternativ antager, at partikler falder med samme hastighed uanset dybden, mens en anden antager, at partikler med tunge, mindre forbrugelige fytoplanktonskaller falder hurtigere end dem uden.

"Han fandt ud af, at du ikke kan se, hvilken kurve der er den rigtige, hvilket er lidt bekymrende, fordi hver kurve har forskellige mekanismer bag sig, " siger Lauderdale. "Med andre ord, forskere bruger muligvis den 'forkerte' funktion til at forudsige styrken af ​​den biologiske pumpe. Disse uoverensstemmelser kan snebold og påvirke klimaprognoser."

En kurve, genovervejet

I den nye undersøgelse, Lauderdale og Cael så på, hvor stor forskel det ville gøre for estimater af kulstof lagret dybt i havet, hvis de ændrede den matematiske beskrivelse af den biologiske pumpe.

De startede med de samme seks alternative ligninger, eller remineraliseringskurver, som Cael tidligere havde studeret. Holdet så på, hvordan klimamodellernes forudsigelser af atmosfærisk kuldioxid ville ændre sig, hvis de var baseret på et af de seks alternativer, kontra Martin-kurvens magtlov.

For at gøre sammenligningen så statistisk ens som muligt, de passer først hver alternativ ligning til Martin-kurven. Martin-kurven beskriver, hvor meget marin sne, der når forskellige dybder gennem havet. Forskerne indtastede datapunkterne fra kurven i hver alternativ ligning. De kørte derefter hver ligning gennem MITgcm, en generel cirkulationsmodel, der simulerer, blandt andre processer, strømmen af ​​kuldioxid mellem atmosfæren og havet.

Holdet kørte klimamodellen frem i tiden for at se, hvordan hver alternativ ligning for den biologiske pumpe ændrede modellens estimater af kuldioxid i atmosfæren, sammenlignet med Martin-kurvens magtlov. De fandt ud af, at mængden af ​​kulstof, som havet er i stand til at trække ned og binde fra atmosfæren, varierer meget, afhængig af hvilken matematisk beskrivelse for den biologiske pumpe, de brugte.

"Den overraskende del var, at selv små ændringer i mængden af ​​remineralisering eller marin sne, der gør det til forskellige dybder på grund af de forskellige kurver, kan føre til betydelige ændringer i atmosfærisk kuldioxid, " siger Lauderdale.

Resultaterne tyder på, at havets pumpestyrke, og de processer, der styrer, hvor hurtigt marin sne falder, er stadig et åbent spørgsmål.

"Vi er bestemt nødt til at lave mange flere målinger af marin sne for at nedbryde mekanismerne bag, hvad der foregår, Lauderdale tilføjer. "Fordi sandsynligvis alle disse processer er relevante, men vi vil virkelig gerne vide, hvilke der driver kulstofbinding."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.