Subtropische gyres zijn enorm, aanhoudende stromingen over duizenden kilometers over de Stille en Atlantische Oceaan, waar weinig groeit.

Met een tekort aan voedingsstoffen, fytoplankton, de microscopisch kleine planten die de basis vormen van de mariene voedselketen, strijd om te gedijen.

Echter, een deel van het fytoplankton leeft in de vijandige omgeving van deze gyres, en hoe ze precies aan hun voedingsstoffen komen, is lang een mysterie geweest.

Nu onderzoek door Edward Doddridge, een postdoc bij het Department of Earth, Atmosferische en planetaire wetenschappen aan het MIT, heeft ontdekt dat de groei van fytoplankton in subtropische gyres wordt beïnvloed door een laag water ver onder het oceaanoppervlak, waardoor voedingsstoffen weer naar de oppervlakte kunnen worden gerecycleerd.

Werken met David Marshall aan de Universiteit van Oxford, Doddridge heeft een model ontwikkeld om het mechanisme achter de groei van fytoplankton in de gyres te onderzoeken, die verschijnt in de Journal of Geophysical Research:Oceanen .

Volgens de leerboeken winden duwen oppervlaktewater naar het midden van de gyres en dan naar beneden, voedingsstoffen weghalen uit de zonovergoten zone en daardoor voorkomen dat fytoplankton gedijt.

Maar eerder onderzoek door Doddridge heeft gesuggereerd dat deze opvatting te simplistisch is, en dat de beweging van wervelingen - het oceaanequivalent van weersystemen - binnen de gyres tegen deze beweging inwerkt, voorkomen dat het water ver naar beneden wordt geduwd.

Om dit verder te onderzoeken, ontwikkelden de onderzoekers een eenvoudig computermodel, waarin ze de oceaan in twee lagen splitsen:de zonovergoten laag en een laag homogeen water eronder, modus water genoemd. Onder deze laag van modus water is de afgrond, die niet in het model was opgenomen.

Binnen het model, de onderzoekers omvatten zowel het door de wind geleide proces van waterconvergentie vanaf de zijkanten van de gyre en vervolgens naar beneden, en de manier waarop draaikolken zouden moeten optreden tegen deze beweging.

Toen ze het model lieten lopen, de resultaten weerspiegelden in grote lijnen de waarnemingen van de gyres zelf, met hogere nutriëntenconcentratie en fytoplanktonproductiviteit aan de randen van de gyres, en lagere productiviteit in het centrum.

Vervolgens begonnen ze de verschillende parameters van het model te variëren, om te onderzoeken welk effect dit zou hebben op nutriëntenniveaus en de productiviteit van fytoplankton.

Ze varieerden eerst een mechanisme dat eerder door onderzoekers was voorgesteld en bekend staat als eddy-pompen, waarin de wervelende beweging van cirkelvormige stromen kouder trekt, voedingsrijk water van onderaf omhoog.

"We veranderden hoeveel vloeistof dit mechanisme kon wisselen tussen de zonovergoten laag en de homogene laag eronder, en we ontdekten dat naarmate we het eddy-pompen opvoerden, de nutriëntenconcentratie ging omhoog, zoals gesuggereerd door eerder onderzoek, ' zegt Doddridge.

Echter, het effect van dit wervelende pompen begon op hogere niveaus te stabiliseren. Hoe meer de onderzoekers het wervelpompmechanisme verhoogden, hoe kleiner de toename van de nutriëntenconcentratie werd.

Vervolgens varieerden ze het proces van horizontale waterconvergentie en neerwaarts pompen in de gyres, bekend als resttransport van Ekman. Ze ontdekten dat dit proces een aanzienlijke invloed had op de nutriëntenconcentratie.

Eindelijk, de onderzoekers varieerden de dikte van de laag homogeen water onder de zonovergoten laag, waarvan ze ook vonden dat ze een significante invloed hadden op de nutriëntenconcentratie.

Eerder onderzoek had gesuggereerd dat naarmate deze laag moduswater dikker wordt, het blokkeert voedingsstoffen die van onderaf naar boven komen, resulterend in lagere productiviteitsniveaus in de zonovergoten zone. Echter, de resultaten van het model suggereren dat het tegenovergestelde het geval is, met een dikkere moduslaag die leidt tot een grotere nutriëntenconcentratie. Dit was met name het geval wanneer het niveau van Ekman-transport laag was, zegt Doddridge.

"Als fytoplankton en andere dingen die in de zonovergoten laag leven, afsterven, of opgegeten en uitgescheiden worden, ze beginnen naar beneden te vallen door de oceaan, en hun voedingsstoffen worden weer opgenomen in het water, ' zegt Doddridge.

"Dus hoe dikker die homogene laag is, hoe langer het duurt voordat deze deeltjes er doorheen vallen, en hoe meer van hun voedingsstoffen in de vloeistof worden opgenomen, te recyclen als voedsel."

Terwijl de voedingsstoffen in de homogene laag blijven, het kost niet veel energie om ze weer aan de oppervlakte te mengen, zegt Doddridge. Maar als ze er snel onder in de afgrond vallen - omdat de homogene laag dun is, bijvoorbeeld - de voedingsstoffen zijn in wezen afgesneden van het oppervlaktewater erboven, hij zegt.

Toen de onderzoekers de resultaten van het model testten met gegevens van satellieten, autonome robots, en schepen, ze ontdekten dat het hun bevindingen ondersteunde, wat suggereert dat water met een dikkere modus inderdaad de groei van fytoplankton in subtropische gyres verbetert.

In de toekomst, Doddridge zou graag verdere experimenten uitvoeren met meer complexe modellen, om meer inzicht te krijgen in de manier waarop voedingsstoffen worden toegevoerd aan en gerecycled in subtropische gyres.

De voedselarme bovenste oceaanwateren van de subtropische werveling spelen wereldwijd een belangrijke rol bij de opname van koolstof door de oceaan, met biologische processen die een groot deel van deze koolstofopname mediëren, maar de processen die voedingsstoffen leveren die nodig zijn om de netto biologische productie in deze ecosystemen te ondersteunen, blijven onduidelijk, volgens Matthew Church aan de Universiteit van Montana, die niet bij het onderzoek betrokken was.

"Het artikel benadrukt de sleutelrol van fysieke processen (met name draaikolken) bij het reguleren van zowel de opwaartse toevoer van voedingsstoffen, en de neerwaartse stroom van zinkend organisch materiaal, Church zegt. "De auteurs concluderen dat deze laatste term, specifiek de diepte waarover organische deeltjes worden geremineraliseerd, stelt beperkingen aan de productiviteit van de bovenliggende wateren. Deze model-afgeleide conclusie presenteert een in het veld testbare hypothese."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.