Мировой океан поглощает около четверти углекислого газа, который люди ежегодно выбрасывают в воздух, что является мощным тормозом парникового эффекта. В дополнение к чисто физическим и химическим процессам, большая часть этого поглощается фотосинтезирующим планктоном, поскольку они включают углерод в свои тела. Когда планктон умирает, он тонет, унося с собой углерод. Какая-то часть этого органического дождя в конечном итоге окажется запертой в глубинах океана, изолированной от атмосферы на века или даже больше. Но что океан забирает, тот и возвращает. Прежде чем многие из останков уйдут далеко, их поглотят аэробные бактерии. И, как и мы, эти бактерии дышат, поглощая кислород и выделяя углекислый газ. Таким образом, большая часть регенерированного CO2 снова оказывается в воздухе.
Новое исследование предполагает, что регенерация CO2 может ускориться во многих регионах мира по мере того, как океаны нагреваются с изменением климата. Это, в свою очередь, может уменьшить способность глубоких океанов удерживать углерод взаперти. Исследование показывает, что во многих случаях бактерии потребляют больше планктона на меньших глубинах, чем считалось ранее, и что условия, в которых они это делают, будут распространяться по мере повышения температуры воды. Исследование было опубликовано на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Результаты говорят нам о том, что потепление вызовет более быструю переработку углерода во многих областях, а это означает, что меньше углерода будет достигать глубин океана и накапливаться там», - сказал соавтор исследования Роберт Андерсон, океанограф из Колумбийского университета. Земная обсерватория Ламонт-Доэрти.
Ученые считают, что планктон ежегодно производит от 40 до 50 миллиардов тонн твердого органического углерода. По их оценкам, в зависимости от региона и условий от 8 до 10 миллиардов тонн удается погрузиться с поверхности океана на большую глубину, более чем на 100 метров, не будучи съеденным бактериями. Однако у ученых было плохое представление о глубинах, на которых вдыхается CO2, и, следовательно, о скорости, с которой он возвращается в атмосферу. Новое исследование сосредоточилось на этом вопросе и дало неожиданные результаты.
Используя данные исследовательского рейса 2013 года из Перу на Таити, ученые изучили два различных региона: богатые питательными веществами, высокопродуктивные воды у берегов Южной Америки и в основном бесплодные воды, которые медленно кружатся в центральном океане внизу. экватор в группе течений, известных как Южнотихоокеанский круговорот.
Для измерения того, насколько глубоко погружаются органические частицы, во многих океанографических исследованиях используются относительно примитивные устройства, которые пассивно улавливают частицы по мере их опускания. Однако эти устройства могут собирать лишь ограниченный объем данных на огромных расстояниях и глубинах океана. Вместо этого для нового исследования исследователи закачивали большое количество морской воды на разную глубину и просеивали ее. Из них они выделили частицы органического углерода и изотопы элемента тория, что вместе позволило им рассчитать количество углерода, погружающегося на каждую глубину, на которую они взяли пробы. Эта процедура дает гораздо больше данных, чем традиционные методы.
В плодородной зоне кислород быстро расходуется у поверхности, так как бактерии и другие организмы поглощают органические вещества. На глубине около 150 метров содержание кислорода достигает нуля, что приводит к остановке аэробной активности. Как только органический материал достигает этого слоя, называемого зоной минимума кислорода (OMZ), он может нетронутым погрузиться в более глубокие слои океана. Таким образом, ОМЗ образует своего рода защитный колпак над любым органическим веществом, которое проходит мимо него. В глубине уровень кислорода снова повышается, и аэробные бактерии могут вернуться к работе; однако любому CO2, произведенному так далеко, потребуются столетия, чтобы вернуться в воздух с помощью восходящих течений.
До сих пор многие ученые считали, что большая часть органического вещества, образующегося вблизи поверхности, проходит через ОМЗ, и, таким образом, большая часть регенерации CO2 будет происходить в глубине. океан. Однако измерения исследователей показали, что на самом деле только около 15 процентов доходят до этого; остальное преобразуется обратно в CO2 над ОМЗ.
«Люди не думали, что регенерация происходит в более мелкой зоне», - сказал ведущий автор исследования Фрэнк Павиа, аспирант Ламонт-Доэрти. «Тот факт, что это вообще происходит, показывает, что модель работает совсем не так, как мы думали».
Это важно, потому что исследователи прогнозируют, что по мере нагревания океанов ОМЗ будут распространяться как по горизонтали на более широкие области, так и по вертикали к поверхности. Согласно общепринятой парадигме, это позволило бы большему количеству органической материи достичь глубин океана и застрять там. Тем не менее, новое исследование предполагает, что по мере распространения ОМЗ будет происходить и активная регенерация CO2 над ними. Это будет противодействовать любому увеличению улавливания органического вещества ниже ОМЗ. По словам Павиа, какой эффект - поверхностная регенерация или кепка, обеспечиваемая ОМЗ, - может победить, - это вопрос для дальнейших исследований. Но открытие подразумевает, что распространение ОМЗ может быть не таким полезным, как считалось ранее. (По крайней мере, не для хранения углерода; ОМЗ вредны, поскольку они убивают большую часть морской жизни в тех местах, которые сейчас являются важными районами рыболовства.)
Далее, в Южно-Тихоокеанском круговороте, результаты были менее двусмысленными. Здесь меньше биологической активности, чем над OMZ, из-за недостатка питательных веществ, и предыдущие исследования с использованием отстойников показали, что большая часть любого органического вещества, которое действительно образуется на поверхности, опускается в холодные глубины. Там происходит некоторая регенерация CO2, но потребуются столетия, чтобы газ снова вышел на поверхность. Однако новое исследование показало обратное: вблизи более теплой поверхности происходит гораздо больше регенерации, чем предполагалось ранее в некоторых исследованиях.
Это важно, потому что, как и OMZ, Южно-Тихоокеанский круговорот и аналогичные системы течений в других частях океанов, по прогнозам, будут расти по мере нагревания океанов. Круговороты разделят эти регионы на слоисто-слоистые лепешки с более теплыми водами сверху и более холодными водами снизу. И поскольку, согласно исследованию, так много регенерации CO2 будет происходить в теплых, мелководных водах, больше CO2 в конечном итоге будет обратно в воздух над более широкими регионами. И в отличие от OMZ, расположенных ближе к берегу, «в круговоротах нет уравновешивающего эффекта», - сказал Андерсон. «История с круговоротами заключается в том, что на обширных участках океана хранение углерода станет менее эффективным». (Есть еще четыре основных круговорота: северная часть Тихого океана, южная и северная части Атлантического океана и Индийский океан.)
Исследователи отмечают, что изучаемые ими процессы являются лишь частью круговорота углерода в океане. Физические и химические реакции, не зависящие от биологии, ответственны за большую часть обмена углеродом между атмосферой и океанами, и эти процессы могут взаимодействовать с биологией сложным и непредсказуемым образом.«Это [исследование] дает нам информацию, которой у нас не было раньше, и которую мы можем использовать в будущих моделях для получения более точных оценок», - сказал Павия.
Другими авторами исследования являются Фиби Лэм из Калифорнийского университета в Санта-Круз; Б. Б. Сил из Гавайского университета, Маноа; Себастьян Виванкос и Мартин Флейшер из Земной обсерватории Ламонт-Доэрти; и Янбин Лу, Хай Ченг и Р. Лоуренс Эдвардс из Университета Миннесоты.