Havets "biologiska pump" beskriver de många marina processer som arbetar för att ta upp koldioxid från atmosfären och transportera den djupt ner i havet, där den kan förbli bevarad i århundraden. Denna havspump är en kraftfull regulator av atmosfärisk koldioxid och en viktig ingrediens i alla globala klimatprognoser.

Men en ny MIT-studie pekar på en betydande osäkerhet i hur den biologiska pumpen är representerad i klimatmodeller idag. Forskare fann att "guldstandard"-ekvationen som används för att beräkna pumpens styrka har en större felmarginal än tidigare trott, och att förutsägelser om hur mycket atmosfäriskt kol havet kommer att pumpa ner till olika djup kan vara av med 10 till 15 delar per miljon.

Med tanke på att världen för närvarande släpper ut koldioxid till atmosfären med en årlig hastighet av cirka 2,5 ppm, teamet uppskattar att den nya osäkerheten översätts till ett femårsfel i klimatmålsprognoserna.

"Denna större felstapel kan vara kritisk om vi vill hålla oss inom 1,5 graders uppvärmning som målsättningen av Parisavtalet, "säger Jonathan Lauderdale, en forskare vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap. "Om nuvarande modeller förutspår att vi har fram till 2040 att minska koldioxidutsläppen, vi utökar osäkerheten kring det, att säga att vi kanske har fram till 2035, vilket kan vara en stor sak."

Lauderdale och tidigare MIT -doktorand B.B. Cael, nu vid National Oceanography Center i Southampton, STORBRITANNIEN., har publicerat sin studie idag i tidskriften Geofysiska forskningsbrev .

Snökurva

De marina processerna som bidrar till havets biologiska pump börjar med växtplankton, mikroskopiska organismer som suger upp koldioxid från atmosfären när de växer. När de dör, växtplankton sjunker kollektivt genom vattenpelaren som "marin snö, "bära det kolet med sig.

"Dessa partiklar regnar ner som vit flagnande snö som är allt det här döda som faller ut från havets yta, " säger Lauderdale.

På olika djup konsumeras partiklarna av mikrober, som omvandlar partiklarnas organiska kol och respirerar det i djuphavet i ett oorganiskt, mineralform, i en process som kallas remineralisering.

På 1980-talet forskare samlade marin snö på platser och djup i hela det tropiska Stilla havet. Från dessa observationer genererade de ett enkelt matematiskt förhållande mellan maktlagar - Martin-kurvan, uppkallad efter teammedlemmen John Martin – för att beskriva styrkan hos den biologiska pumpen, och hur mycket kol havet kan remineralisera och binda på olika djup.

"Martin-kurvan är allestädes närvarande, och det är verkligen guldstandarden [används i många klimatmodeller idag], "Säger Lauderdale.

Men 2018, Cael och medförfattaren Kelsey Bisson visade att kraftlagen som härleddes för att förklara Martin-kurvan inte var den enda ekvationen som kunde passa observationerna. Kraftlagen är ett enkelt matematiskt förhållande som förutsätter att partiklar faller snabbare med djupet. Men Cael fann att flera andra matematiska samband, var och en baserad på olika mekanismer för hur marin snö sjunker och återmineraliseras, kan också förklara uppgifterna.

Till exempel, ett alternativ antar att partiklar faller i samma takt oavsett djup, medan en annan antar att partiklar med tunga, mindre konsumerbara växtplanktonskal faller snabbare än de utan.

"Han upptäckte att du inte kan se vilken kurva som är den rätta, vilket är lite oroande, eftersom varje kurva har olika mekanismer bakom, "Lauderdale säger." Med andra ord, forskare kanske använder "fel" funktion för att förutsäga styrkan hos den biologiska pumpen. Dessa avvikelser kan snöa in och påverka klimatprognoser."

En kurva, omprövas

I den nya studien, Lauderdale och Cael tittade på hur stor skillnad det skulle göra för uppskattningar av kol lagrat djupt i havet om de ändrade den matematiska beskrivningen av den biologiska pumpen.

De började med samma sex alternativa ekvationer, eller remineraliseringskurvor, som Cael tidigare hade studerat. Teamet tittade på hur klimatmodellernas förutsägelser om atmosfärisk koldioxid skulle förändras om de var baserade på något av de sex alternativen, kontra Martinkurvans maktlag.

För att göra jämförelsen så statistiskt lika som möjligt, de passar först varje alternativ ekvation till Martin -kurvan. Martin-kurvan beskriver hur mycket marin snö som når olika djup genom havet. Forskarna skrev in datapunkterna från kurvan i varje alternativ ekvation. De körde sedan varje ekvation genom MITgcm, en allmän cirkulationsmodell som simulerar, bland andra processer, flödet av koldioxid mellan atmosfären och havet.

Teamet körde klimatmodellen framåt i tiden för att se hur varje alternativ ekvation för den biologiska pumpen förändrade modellens uppskattningar av koldioxid i atmosfären, jämfört med Martin -kurvens maktlag. De fann att mängden kol som havet kan dra ner och binda från atmosfären varierar kraftigt, beroende på vilken matematisk beskrivning för den biologiska pumpen de använde.

"Den överraskande delen var att även små förändringar i mängden remineralisering eller marin snö som gör den till olika djup på grund av de olika kurvorna kan leda till betydande förändringar i atmosfärens koldioxid, "Säger Lauderdale.

Resultaten tyder på att havets pumpstyrka, och de processer som styr hur snabbt marin snö faller, är fortfarande en öppen fråga.

"Vi behöver definitivt göra många fler mätningar av marin snö för att bryta ner mekanismerna bakom vad som händer, Lauderdale tillägger. "Eftersom förmodligen alla dessa processer är relevanta, men vi vill verkligen veta vilka som driver koldioxidbindning. "

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.