Jordens hav har en anmärkningsvärd naturlig förmåga att dra kol från atmosfären och lagra det djupt i havets vatten, utövar en viktig kontroll över det globala klimatet.

En stor del av den koldioxid som släpps ut när människor förbränner fossila bränslen, till exempel, tas upp och lagras i havet via en uppsättning processer som utgör havets kolcykel. Men, den snabba takten med vilken koldioxidutsläppen ökar innebär att kretsloppets framtid är osäker, särskilt när många av nyckelprocesserna fortfarande är dåligt förstådda. I en ny tidning i tidningen Natur , Tom Weber, en biträdande professor i jord- och miljövetenskap vid Rochester, och hans kollegor, skisserade och kvantifierade kritiska mekanismer involverade i havets kolcykel, specifikt den "biologiska pumpen". Deras nya insikter kan användas för att vägleda klimatdatormodeller för att bättre förutsäga effekterna av klimatförändringar på en uppvärmande värld.

Sjunker djupare ner i havet

Den biologiska pumpen beskriver summan av alla biologiska processer som överför koldioxid från atmosfären till djuphavet. Små marina växter, känd som växtplankton, ta koldioxid från ytan för att producera biomassa. Biomassan klumpar ihop sig till partiklar, som sedan sjunker till djuphavet. I det djupa havet, partiklarna sönderdelas, frigör koldioxid. "Nettoeffekten är "pumpningen" av CO2 från atmosfären till djuphavet, säger Weber.

Ju djupare ner i havet en partikel sjunker, ju längre tid tar det för kolet att återvända till ytan och tillbaka till atmosfären. Kol som släpps ut på djup av några hundra meter, till exempel, cirkuleras tillbaka till atmosfären på tidsskalor på 10 år eller mindre, men om partiklar sjunker ner i djuphavet - djupare än 1, 000 meter - deras kol kan lagras i upp till 1, 000 år innan de återvände till ytan.

Partikelinsprutningspumpar

Forskare trodde tidigare att överföringen av partiklar från ytan till djuphavet skedde helt enkelt genom att sjunka under tyngdkraften - vad Weber och hans kollegor anser vara den "biologiska gravitationspumpen." Dock, de senaste åren, forskare har erkänt andra processer som är viktiga för att överföra kol från ytvatten till djuphavet. Som beskrivs i tidningen, dessa inkluderar den fysiska blandningen av havet av vinden, av storskaliga havsströmmar, och genom biologisk transport via djur som småfiskar som äter biomassapartiklarna vid ytan och utsöndrar dem på djupet. Forskarna hänvisar till dessa processer kollektivt som "partikelinjektionspumpar" (PIP) eftersom de kan "injicera" partiklar till mycket djupare djup - relativt enbart gravitationell sedimentering - innan sönderdelning sker och kolet frigörs.

"Det är ett mycket effektivare sätt att dra kol från ytan till de djupa vattnen, säger Weber.

Weber och hans kollegor kombinerade observationsbevis och nya modellberäkningar för att för första gången kvantifiera hur mycket kol som överförs av PIP. De fann att PIP är en mycket mer inflytelserik faktor än man tidigare trott:kollektivt, de är ansvariga för lika mycket kollagring i havet som den biologiska gravitationspumpen.

Havets kolkretslopp och klimatförändringar

Eftersom havets kolcykel påverkas av miljöförändringar i ljus, temperatur, och tillgång till näringsämnen, forskarna kan använda sina nya resultat för att förbättra klimatmodeller och bättre förutspå hur havets kolkretslopp kommer att reagera på framtida globala klimatförändringar, säger Weber. "Om vi ​​vill ha lite förutsägande kraft med avseende på den biologiska pumpen, vi måste förstå alla mekanismer och utrusta våra globala klimatmodeller med en komplett representation."

Havets kolkretslopp påverkas mest av klimatförändringarna på grund av uppvärmningen av havsvattnet. Det djupa havet är fyllt av kyla, tät, och näringsrikt vatten medan ytan på havet är varmare och lättare. För att bibehålla den biologiska produktiviteten, vinden rör havsvattnet, blanda dem för att få upp det näringsrika vattnet till ytan. När havstemperaturen stiger på grund av klimatförändringar, dock, densitetsskillnaden mellan vattnet i ythavet och vattnet i djuphavet ökar, gör det svårare för havet att blandas, säger Weber. "Satellitregistreringar visar att den totala produktiviteten i havet på ytan minskar eftersom omrörningen av näringsämnen blir mindre effektiv."

Webers nya forskning lägger till en annan "rynka till problemet, " säger han. Tidigare vyer av den biologiska pumpen indikerade att en minskad havsblandningshastighet skulle sakta ner produktiviteten men "inte riktigt påverka andra processer i den biologiska pumpen:när du väl producerar partiklarna, Enbart gravitationen skulle få dem att sjunka och sönderfalla." Den nya synen, dock, indikerar att en nedgång i blandningen också kommer att minska PIPs, som är avgörande för havets kolcykel som "mycket effektiva exportmekanismer som får partiklarna fina och djupa där kolet kan lagras längre, säger Weber.

Om partiklar inte förs djupt ner i havet, detta kan, i tur och ordning, återkoppla klimatförändringarna. "Om koldioxid släpps ut på grundare djup, det flyr snabbare ut i atmosfären, vilket betyder mer koldioxid i atmosfären där den bidrar till den globala uppvärmningen."