Als rampzalige stormen, overstromingen, en branden komen vaker voor in de VS en elders, mensen beginnen net enkele van de effecten van de opwarming van de aarde te waarderen. Maar deze effecten zouden veel erger zijn als de oceaan niet ongeveer 45 procent van de koolstofdioxide had opgenomen die de mens sinds het begin van de industriële revolutie heeft uitgestoten. Hoewel wetenschappers al lang weten dat de oceanen veel koolstofdioxide opnemen, de details van dit proces zijn nog vaag. MBARI-scheikundige Andrea Fassbender probeert dit proces in beeld te brengen door te bestuderen wanneer, waar, en hoe koolstof beweegt tussen de atmosfeer, bovenste oceaan, en diepzee.

De basis van dit koolstofcyclusproces is relatief goed begrepen. Wanneer de concentraties kooldioxide in de atmosfeer hoger zijn dan in het oppervlaktewater van de oceaan, koolstofdioxide uit de atmosfeer zal oplossen in de oceaan. Een deel van deze koolstofdioxide wordt gebruikt door microscopisch kleine algen die koolstof in hun lichaam opnemen terwijl ze groeien en zich voortplanten in het zonovergoten oppervlaktewater.

Wanneer de microscopisch kleine algen worden geconsumeerd door dieren en microben, de koolstof in hun lichaam wordt overgedragen aan deze organismen, die de koolstof in hun lichaam dragen of als afval in het omringende water afgeven. De meeste van deze koolstof blijft binnen ongeveer 100 meter van het zeeoppervlak, waar het gemakkelijk kan terugkeren naar de atmosfeer, vooral tijdens de wintermaanden, wanneer het oceaanwater meer wordt gekarnd en de concentratie van algen lager is.

Echter, een kleine maar zeer belangrijke hoeveelheid van deze koolstof zinkt naar dieper water, honderden tot duizenden meters onder het zeeoppervlak. Een deel van deze koolstof wordt de diepte in gedragen in de vorm van zeesneeuw - kleine vlekjes dode algen en dieren, afval, en slijm. Hoe verder deze koolstof naar beneden zakt, hoe langer het waarschijnlijk in de oceaan zal worden opgeslagen voordat het weer in contact komt met de atmosfeer.

Als de koolstof zo diep zakt dat het onwaarschijnlijk is dat het door de wintermenging naar de oppervlakte wordt teruggevoerd, het wordt geacht te zijn geëxporteerd vanuit het oppervlaktewater. Als de koolstof een diepte bereikt waarop het onwaarschijnlijk is dat het honderden jaren of langer naar de oppervlakte zal worden teruggevoerd, het wordt beschouwd als afgezonderd in de diepe zee.

Oceanografen noemen dit verticale koolstoftransportproces de biologische pomp, en het vormt de kern van veel van Fassbenders onderzoek. Hoewel het algemene concept van de biologische pomp relatief eenvoudig is, de details zijn uiterst ingewikkeld en omvatten veel onderling gerelateerde chemische, biologisch, en fysieke processen, die van plaats tot plaats en in de tijd variëren, variërend van minuten tot millennia. De biologische pomp is ook een belangrijk onderdeel in de computermodellen die wetenschappers gebruiken om de opwarming van de aarde te voorspellen.

Om de biologische pomp volledig te begrijpen, oceanografen moeten koolstof in de oceaan in al zijn verschillende vormen meten, inclusief:

• Opgeloste anorganische koolstof - Koolstof in de vorm van eenvoudige moleculen opgelost in zeewater, inclusief kooldioxide, koolzuur, bicarbonaat, en carbonaat
• Deeltjes organische koolstof—Koolstof in de vorm van deeltjes gesuspendeerd in zeewater die groter zijn dan ongeveer een halve micron (ongeveer een 90ste van de diameter van een mensenhaar) over
• Opgeloste organische koolstof"—Koolstof in de vorm van zeer kleine deeltjes (minder dan ongeveer een halve micron doorsnede) en in opgeloste organische verbindingen zoals die vrijkomen bij de afbraak van dode dieren, algen, en zeesneeuw

Het afgelopen jaar is Fassbender actief betrokken geweest bij een aantal onderzoeksprojecten en publicaties gericht op koolstofcycli in de oceaan, met de nadruk op de biologische koolstofpomp en de processen die bepalen hoe de oceanen door de mens gegenereerde koolstof opnemen. De volgende tekst beschrijft een deel van dit baanbrekende werk.

Het belang van seizoenen in de zee

In september 2018 publiceerde Fassbender een onderzoekspaper in Wereldwijde biogeochemische cycli dat benadrukte het belang van seizoensveranderingen in kooldioxideconcentraties in verschillende delen van de oceaan.

Kooldioxidegas is beter oplosbaar in koud water dan in warm water. Als resultaat, seizoensgebonden opwarming van oppervlaktewater in de lente en zomer verhoogt de partiële druk van kooldioxidegas in zeewater (de partiële druk van een gas is direct gerelateerd aan de concentratie). Echter, microscopisch kleine algen groeien snel in de lente en zomer, kooldioxide verbruiken. In sommige omgevingen gaat dit het effect van opwarmend water tegen.

Omdat kooldioxidegas beter oplosbaar is in koud water, seizoensgebonden afkoeling van de oceaan in de winter zorgt ervoor dat de partiële druk van kooldioxidegas daalt. In aanvulling, turbulentie van winterstormen brengt diep water, rijk aan koolstofdioxide, in de winter naar de oppervlakte, die werkt om de invloed van koeler water tegen te gaan.

Deze processen zijn gemeenschappelijk voor alle oceaangebieden, maar hun timing en omvang kunnen van plaats tot plaats verschillen, wat resulteert in unieke seizoenscycli van koolstofdioxide in het oppervlaktewater.

Als resultaat van de hierboven beschreven processen, Oceaangebieden op hoge breedtegraden nemen tijdens de lente- en zomermaanden doorgaans koolstofdioxide op uit de atmosfeer vanwege biologische activiteit en geven tijdens de herfst en winter koolstofdioxide af aan de atmosfeer als gevolg van diepe vermenging.

In gebieden op lage breedtegraden (dichter bij de evenaar), seizoensgebonden veranderingen in de watertemperatuur bepalen grotendeels de variaties in koolstofdioxide aan het oppervlak van de oceaan. Het resultaat is dat deze gebieden in de zomer een hogere partiële druk van kooldioxidegas hebben en in de winter lagere waarden.

Fassbender's recente artikel toonde aan dat door de mens gegenereerde koolstof die de oceanen binnenkomt deze seizoenscycli zal veranderen, bijvoorbeeld, door de seizoensextremen op een asymmetrische manier te versterken. Bijvoorbeeld, sommige regio's kunnen in het zomermaximum een ​​grotere groei vertonen dan in het winterminimum kooldioxidegehalte in de loop van de tijd, waardoor een algehele toename van het bereik van seizoensgebonden kooldioxidevariaties.

Deze bevinding heeft belangrijke implicaties voor hoe de opname van koolstof in de oceaan in de toekomst kan veranderen. Aanvullend, het suggereert dat wetenschappers het hele jaar door waarnemingen moeten doen om de langetermijntrends in het koolstofdioxidegehalte in de oceaan aan de oppervlakte nauwkeurig te schatten, omdat de trends in de winter en de zomer misschien niet hetzelfde zijn.

Veldonderzoekers en modelleurs bij elkaar brengen

Hoewel wetenschappers zeker meer koolstofmetingen in de winter nodig hebben in gebieden op hoge breedtegraden van de oceaan, er zijn veel andere oceaangebieden waar de details van koolstofcycli niet goed worden begrepen. Bijvoorbeeld, de zogenaamde "westelijke grensstromen, " zoals de Golfstroom in de noordwestelijke Atlantische Oceaan en de Kuroshio Stroom in de noordwestelijke Stille Oceaan, zijn van vitaal belang bij het transporteren van warmte en koolstof over de wereldoceaan.

In de herfst van 2017, Fassbender was mede-organisator van een workshop bij MBARI waar veldonderzoekers en computermodelleringsexperts koolstofcycli in westelijke grensstromen konden bespreken. De primaire doelen van de workshop waren om observerende wetenschappers en modelbouwers samen te brengen om hun bevindingen te vergelijken en om methoden voor te stellen om de hiaten in het begrip van wetenschappers van deze gebieden op te vullen. Ze waren vooral geïnteresseerd in het verzamelen van nieuwe gegevens die computermodellen van de koolstofcyclus van de oceaan zullen verbeteren.

De workshop werd mede gesponsord door het US Climate Variability and Predictability Program (CLIVAR) en het US Ocean Carbon and Biogeochemistry Program. Na de workshop hebben Fassbender en collega's een rapport samengesteld en bewerkt dat de belangrijkste vragen en aanbevelingen met betrekking tot koolstofcycli in westelijke grensstromen samenvat, die in augustus 2018 werd gepubliceerd en in oktober 2018 werd gepresenteerd aan de Amerikaanse CLIVAR Inter-Agency Group.

Verbetering van op satellieten gebaseerde schattingen van de koolstofupdate in de oceaan

NASA kiest voor een andere benadering van de uitdaging van wereldwijde, hele jaar, oceaan-koolstofmonitoring. Op hetzelfde moment dat haar recente artikel verscheen in Global Biogeochemical Cycles, Fassbender en andere MBARI-onderzoekers waren betrokken bij een groot veldexperiment genaamd Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS), die werd gefinancierd door NASA en de National Science Foundation.

Tijdens de zomer 2018 EXPORTS onderzoekscruise, twee grote oceanografische onderzoeksschepen en wetenschappers van meer dan 15 projectteams en tal van Amerikaanse onderzoeksinstellingen vertrokken naar de noordelijke Stille Oceaan om gegevens te verzamelen over de biologische pomp, met behulp van een breed scala aan ultramoderne laboratoriuminstrumenten, autonome sensoren en robots, en satellieten.

Satellieten bieden een langdurige, globaal zicht op de oceaan. Echter, op satellieten gebaseerde sensoren, voor het grootste gedeelte, observeer alleen de bovenste lagen van de oceaan. Dus, een primair doel van het EXPORTS-experiment was om de details van de biologische pomp en hun relatie tot optische eigenschappen in de waterkolom (die door satellieten kunnen worden waargenomen) te achterhalen. Dit betekende graven in het fysieke, chemisch, en biologische processen die betrokken zijn bij de biologische pomp.

Door meer te leren over de mechanismen die betrokken zijn bij de biologische pomp, de onderzoekers hopen de op satellieten gebaseerde schattingen van hoeveel koolstof naar de diepzee wordt geëxporteerd, te verbeteren. Door oppervlakte- en ondergrondse waarnemingen in de noordelijke Stille Oceaan (evenals in de Noord-Atlantische Oceaan tijdens een tweede experiment in 2020) te vergelijken, Door NASA en NSF gefinancierde onderzoekers zullen betere methoden ontwikkelen om satellietwaarnemingen te gebruiken om de mariene koolstofcyclus te bestuderen.

Tijdens het EXPORT-experiment, Fassbender en haar collega's gebruikten robots, drijvende oceaan-chemie drijvers, en andere geautomatiseerde instrumenten om fysieke en biologische processen in de noordoostelijke Stille Oceaan te meten, zowel aan de oppervlakte als in de diepte. De drijvers blijven jarenlang op zee, waardoor Fassbender en haar collega's kunnen inschatten hoeveel koolstof is opgeslagen op verschillende diepten in de oceaan en op verschillende tijdstippen van het jaar. Het team is net begonnen met het analyseren van de gegevens van deze instrumenten.

Verzuring van de oceaan in de Pacific Northwest

Alle bovengenoemde projecten tonen het belang aan van het verzamelen van nieuwe gegevens die laten zien hoe de koolstofchemie in de oceaan het hele jaar door verandert. Maar Fassbender is ook geïnteresseerd in historische metingen en langetermijntrends in koolstofchemie, inclusief het proces van oceaanverzuring.

Oceaanverzuring treedt op wanneer koolstofdioxide oplost in het oppervlaktewater van de oceaan, het verlagen van de concentratie van carbonaationen, en waardoor het zeewater zuurder wordt. In juli 2018, Fassbender en haar collega's publiceerden een paper in Earth System Science Data dat zich richtte op oceaanverzuring rond de staat Washington - een gebied waar de schelpdierindustrie aan de kust mogelijk al de gevolgen ondervindt van de veranderende oceaanchemie.

Bij het opstellen van dit document, Fassbender en haar co-auteurs verzamelden en analyseerden vrijwel alle bestaande en historische gegevens over koolstofchemie voor deze regio - ongeveer 100, 000 metingen in totaal. Dit omvatte historische gegevens van "oceaanatlassen", evenals gegevens van onderzoeksschepen, boeien bewaken, en veldexperimenten.

Deze studie was uniek omdat het moderne basisinformatie opleverde over de seizoensvariabiliteit van talrijke gegevens over oceaankoolstof in de hele regio - informatie die voorheen niet bestond. Deze koolstofgegevens omvatten de pH van het oppervlaktewater (zuurgraad), kooldioxide, opgeloste anorganische koolstof, totale alkaliteit, en de verzadigingstoestand van aragoniet (een mineraal dat de schelpen vormt van veel mariene organismen). De verzamelde gegevens zullen dienen als een waardevolle referentie die wetenschappers zal helpen om de komende jaren en decennia veranderingen in de zeewaterchemie in deze regio te detecteren.

Naast het bieden van een basislijn, of gevoel voor wat momenteel normaal is in de oceaanwateren van de staat Washington, het onderzoek bracht grote verschillen aan het licht in de koolstofchemie tussen de semi-ingesloten wateren van Puget Sound en de open Stille Oceaan. Bijvoorbeeld, de gegevens toonden aan dat het seizoensbereik in de zuurgraad van het oppervlaktezeewater in het Hood Canal ongeveer 27 keer groter is dan in de open oceaanwateren bij Washington.

Deze bevinding geeft aan dat algen en dieren die in de beschermde wateren van de Pacific Northwest leven, worden blootgesteld aan veel grotere seizoensveranderingen in zuurgraad (naast alle andere geëvalueerde carbonaatsysteemvariabelen) dan degenen die in nabijgelegen open oceaanwateren leven.

De geautomatiseerde toekomst van oceaanchemiemetingen

Tegenwoordig, Fassbender zet haar werk aan carbon cycling op een aantal fronten voort. Gedurende 2019, ze hoopt een nieuw koolstofchemie-instrument te ontwikkelen voor gebruik op oceaanboeien en oppervlakterobots die maandenlang op zee kunnen blijven en grote delen van de oceaan kunnen doorkruisen. Fassbender werkt aan dit project samen met verschillende ingenieurs van MBARI, evenals onderzoekers van de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) en de Universiteit van Hawaï.

Een van hun doelen is om het nieuwe instrument te installeren op de klimaatmonitoringboeien van NOAA. Bestaande instrumenten op deze boeien meten koolstofdioxide in de atmosfeer en in de oceaan aan de oppervlakte, en sommige boeien zijn ook uitgerust met pH-sensoren. Het nieuwe instrument zou naast koolstofdioxide opgeloste anorganische koolstof meten, wetenschappers voorzien van nieuwe informatie over de opname van koolstof in de oceaan en veranderingen in de oceaanchemie.

Op mondiaal niveau, Fassbender merkt op dat, in de afgelopen 10 jaar, een gezamenlijke inspanning om het hele jaar door observaties van koolstofdioxide-observaties aan de oppervlakte van de oceaan uit te breiden en te verzamelen, heeft wetenschappers al een beter begrip gegeven van hoeveel koolstof elk jaar tussen de oceaan en de atmosfeer beweegt. Ze hoopt dat door nieuwe instrumenten te ontwikkelen en deze op platforms over de hele wereld te verspreiden, zij en haar collega-onderzoekers zullen waardevolle informatie krijgen over de fijnere details van koolstofcycli in afgelegen oceaangebieden. Dit op zijn beurt, zal helpen bij het verbeteren van de kritische computermodellen die wetenschappers gebruiken om het toekomstige klimaat op aarde te voorspellen.