Små hvirvler spiller en stor rolle i fodring af havmikrober

Subtropiske gyres er enorme roterende havstrømme, der genererer vedvarende cirkulationer i Jordens subtropiske områder lige nord og syd for ækvator. Disse gyres er langsomt bevægende hvirvler, der cirkulerer i massive bassiner rundt om i verden og samler næringsstoffer, organismer og nogle gange affald, mens strømmene roterer fra kyst til kyst.

I årevis har oceanografer undret sig over modstridende observationer inden for subtropiske gyres. Ved overfladen ser disse massive strømme ud til at være vært for sunde populationer af fytoplankton – mikrober, der fodrer resten af ​​havets fødekæde og er ansvarlige for at opsuge en betydelig del af atmosfærens kuldioxid.

Men at dømme ud fra, hvad forskerne ved om dynamikken i gyres, vurderede de, at strømmene i sig selv ikke ville være i stand til at opretholde nok næringsstoffer til at opretholde det fytoplankton, de så. Hvordan kunne mikroberne så trives?

Nu har MIT-forskere fundet ud af, at fytoplankton kan modtage tilførsler af næringsstoffer uden for gyres, og at leveringskøretøjet er i form af hvirvelstrømme - meget mindre strømme, der hvirvler ved kanterne af et gyre. Disse hvirvler trækker næringsstoffer ind fra ækvatoriale områder med højt næringsstof og skubber dem ind i midten af ​​en gyre, hvor næringsstofferne derefter optages af andre strømme og pumpes til overfladen for at fodre fytoplankton.

Havhvirvler, fandt holdet, ser ud til at være en vigtig kilde til næringsstoffer i subtropiske gyres. Deres genopfyldende effekt, som forskerne kalder et "næringsstofrelæ", hjælper med at opretholde populationer af fytoplankton, som spiller en central rolle i havets evne til at binde kulstof fra atmosfæren. Mens klimamodeller har en tendens til at fremskrive et fald i havets evne til at binde kulstof i løbet af de kommende årtier, kan dette "næringsstofrelæ" hjælpe med at opretholde kulstoflagring over de subtropiske have.

"Der er meget usikkerhed om, hvordan havets kulstofkredsløb vil udvikle sig, efterhånden som klimaet fortsætter med at ændre sig," siger Mukund Gupta, en postdoc ved Caltech, der ledede undersøgelsen som kandidatstuderende ved MIT. "Som vores papir viser, er det ikke ligetil at få kulstoffordelingen rigtigt, og det afhænger af forståelsen af ​​hvirvelstrømme og andre finskalabevægelser i havet."

Gupta og hans kolleger rapporterer deres resultater i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences . Studiets medforfattere er Jonathan Lauderdale, Oliver Jahn, Christopher Hill, Stephanie Dutkiewicz og Michael Follows ved MIT og Richard Williams ved University of Liverpool.

Et snedækket puslespil

Et tværsnit af en havgyre ligner en stak redeskåle, der er lagdelt efter tæthed:Varmere, lettere lag ligger ved overfladen, mens koldere, tættere vand udgør dybere lag. Planteplankton lever i havets øverste solbeskinnede lag, hvor mikroberne kræver sollys, varme temperaturer og næringsstoffer for at vokse.

Når planteplankton dør, synker de gennem havets lag som "marin sne". Noget af denne sne frigiver næringsstoffer tilbage til strømmen, hvor de pumpes op igen for at fodre nye mikrober. Resten af ​​sneen synker ud af gyren, ned til de dybeste lag af havet. Jo dybere sneen synker, jo sværere er det for den at blive pumpet tilbage til overfladen. Sneen bliver derefter fanget eller sekvestreret sammen med eventuelt ufrigivet kulstof og næringsstoffer.

Oceanografer troede, at hovedkilden til næringsstoffer i subtropiske gyres kom fra recirkulerende marin sne. Men da en del af denne sne uundgåeligt synker til bunds, må der være en anden kilde til næringsstoffer for at forklare de sunde populationer af fytoplankton ved overfladen. Præcis hvad den kilde er "har efterladt oceanografisamfundet lidt forvirret i nogen tid," siger Gupta.

Hvirvler i kanten

I deres nye undersøgelse forsøgte holdet at simulere en subtropisk gyre for at se, hvilken anden dynamik der kan være på arbejde. De fokuserede på det nordlige Stillehav, et af Jordens fem store gyre, som cirkulerer over det meste af det nordlige Stillehav og strækker sig over mere end 20 millioner kvadratkilometer.

Holdet startede med MITgcm, en generel cirkulationsmodel, der simulerer de fysiske cirkulationsmønstre i atmosfæren og oceanerne. For at reproducere det nordlige Stillehavs-gyre's dynamik så realistisk som muligt, brugte holdet en MITgcm-algoritme, som tidligere er udviklet hos NASA og MIT, som tuner modellen til at matche faktiske observationer af havet, såsom havstrømme optaget af satellitter, og temperatur og saltholdighed målinger taget af skibe og driftere.

"Vi bruger en simulering af det fysiske hav, der er så realistisk, som vi kan få, givet modellens maskineri og de tilgængelige observationer," siger Lauderdale.

Den realistiske model fangede finere detaljer med en opløsning på mindre end 20 kilometer pr. pixel sammenlignet med andre modeller, der har en mere begrænset opløsning. Holdet kombinerede simuleringen af ​​havets fysiske adfærd med Darwin-modellen – en simulering af mikrobesamfund såsom fytoplankton, og hvordan de vokser og udvikler sig med havets forhold.

Holdet kørte den kombinerede simulering af det nordlige Stillehav gyre over et årti og skabte animationer for at visualisere mønstret af strømme og de næringsstoffer, de bar, i og omkring gyre. Det, der dukkede op, var små hvirvler, der løb langs kanterne af den enorme gyre og så ud til at være rige på næringsstoffer.

"Vi opfangede små hvirvlende bevægelser, dybest set som vejrsystemer i havet," siger Lauderdale. "Disse hvirvler transporterede pakker med vand med højt næringsindhold, fra ækvator, nordpå ind i midten af ​​gyren og nedad langs siderne af skålene. Vi spekulerede på, om disse hvirveloverførsler var en vigtig leveringsmekanisme."

Overraskende nok bevæger næringsstofferne sig først dybere, væk fra sollys, før de returneres opad, hvor planteplanktonet lever. Holdet fandt ud af, at havhvirvler kunne levere op til 50 procent af næringsstofferne i subtropiske gyres.

"Det er meget vigtigt," siger Gupta. "Den vertikale proces, der genbruger næringsstoffer fra marin sne er kun halvdelen af ​​historien. Den anden halvdel er den genopfyldende effekt af disse hvirvler. Da subtropiske gyres bidrager med en betydelig del af verdenshavene, tror vi, at dette næringsstofrelæ er af global betydning." + Udforsk yderligere

Hvordan fytoplankton overlever i havgyres med lav næringsstofforsyning