De oceanen van de wereld nemen ongeveer een kwart van de koolstofdioxide op die mensen elk jaar in de lucht pompen - een krachtige rem op het broeikaseffect. Naast puur fysische en chemische processen, een groot deel hiervan wordt ingenomen door fotosynthetisch plankton omdat ze koolstof in hun lichaam opnemen. Als plankton sterft, zij zinken, de koolstof mee te nemen. Een deel van deze organische regen zal uiteindelijk opgesloten raken in de diepe oceaan, eeuwen of langer geïsoleerd van de atmosfeer. Maar wat de oceaan neemt, de oceaan geeft ook terug. Voordat veel van de overblijfselen erg ver komen, ze worden geconsumeerd door aerobe bacteriën. En, net als ons, die bacteriën ademen door zuurstof op te nemen en kooldioxide uit te stoten. Veel van die geregenereerde CO2 komt zo weer in de lucht terecht.

Een nieuwe studie suggereert dat CO2-regeneratie in veel regio's van de wereld sneller kan gaan als de oceanen opwarmen door het veranderende klimaat. Dit, beurtelings, kan het vermogen van de diepe oceanen om koolstof opgesloten te houden verminderen. Uit het onderzoek blijkt dat in veel gevallen bacteriën consumeren meer plankton op ondiepere diepten dan eerder werd aangenomen, en dat de omstandigheden waaronder ze dit doen zich zullen verspreiden naarmate de watertemperatuur stijgt. Het onderzoek is deze week gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

"De resultaten vertellen ons dat opwarming in veel gebieden tot snellere recycling van koolstof zal leiden, en dat betekent dat minder koolstof de diepe oceaan zal bereiken en daar zal worden opgeslagen, " zei co-auteur van de studie Robert Anderson, een oceanograaf aan de Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University.

Wetenschappers geloven dat plankton elk jaar ongeveer 40 miljard tot 50 miljard ton vaste organische koolstof produceert. Ze schatten dat, afhankelijk van de regio en de omstandigheden, ongeveer 8 miljard tot 10 miljard ton slagen erin om uit de oppervlakte-oceaan naar grotere diepten te zinken, voorbij ongeveer 100 meter, zonder opgegeten te worden door bacteriën. Echter, wetenschappers hebben een slecht begrip van de diepten waarop CO2 wordt ingeademd, en bijgevolg, van de snelheid waarmee het in de atmosfeer wordt teruggebracht. De nieuwe studie richtte zich op deze vraag, met verrassende resultaten.

Met behulp van gegevens van een onderzoekscruise uit 2013 van Peru naar Tahiti, de wetenschappers keken naar twee verschillende regio's:de voedselrijke, zeer productieve wateren voor de kust van Zuid-Amerika, en de grotendeels onvruchtbare wateren die langzaam rondcirkelen in de centrale oceaan onder de evenaar in een reeks stromingen die bekend staat als de South Pacific Gyre.

Om te meten hoe diep organische deeltjes zinken, veel oceanografische studies gebruiken relatief primitieve apparaten die passief deeltjes vangen terwijl ze zinken. Echter, deze apparaten kunnen slechts een beperkte hoeveelheid gegevens verzamelen over de enorme afstanden en diepten van de oceaan. Voor de nieuwe studie de onderzoekers pompten in plaats daarvan grote hoeveelheden zeewater op verschillende diepten en zeefden er doorheen. Van deze, ze isoleerden deeltjes organische koolstof en isotopen van het element thorium, waarmee ze samen de hoeveelheid koolstof konden berekenen die door elke diepte die ze bemonsterden, zakte. Deze procedure levert veel meer gegevens op dan traditionele methoden.

In de vruchtbare zone, zuurstof raakt snel op nabij het oppervlak, terwijl bacteriën en andere organismen organisch materiaal opslokken. Op een diepte van ongeveer 150 meter, zuurstofgehalte bijna nul bereikt, aërobe activiteit te stoppen. Zodra organisch materiaal deze laag bereikt, de zuurstofminimumzone (OMZ) genoemd, kan het onaangeroerd naar de diepere oceaan zinken. De OMZ vormt zo een soort beschermkapje over elk organisch materiaal dat erlangs zakt. In de diepte, zuurstofniveaus nemen weer toe en aerobe bacteriën kunnen weer aan het werk; echter, alle CO2 die zo ver naar beneden wordt geproduceerd, zal eeuwen duren om via opwaartse stromingen weer in de lucht te komen.

Tot nu toe, veel wetenschappers hebben gedacht dat veel van de organische materie die aan de oppervlakte wordt geproduceerd, door de OMZ komt, en dus zou de meeste CO2-regeneratie plaatsvinden in de diepe oceaan. Echter, de metingen van de onderzoekers suggereerden dat eigenlijk slechts ongeveer 15 procent het zo ver haalt; de rest wordt boven de OMZ weer omgezet naar CO2.

"Mensen dachten niet dat er veel regeneratie plaatsvond in de ondiepere zone, " zei de hoofdauteur van de studie, Frank Pavia, een afgestudeerde student aan Lamont-Doherty. "Het feit dat het überhaupt gebeurt, toont aan dat het model totaal niet werkt zoals we dachten dat het deed."

Dit is van belang omdat onderzoekers voorspellen dat als de oceanen opwarmen, OMZ's zullen zich zowel horizontaal over grotere gebieden verspreiden, en verticaal, naar de oppervlakte. Onder het conventionele paradigma, hierdoor zou meer organisch materiaal de diepe oceaan kunnen bereiken om daar vast te komen te zitten. Echter, de nieuwe studie suggereert dat naarmate OMZ's zich verspreiden, net als de krachtige CO2-regeneratie boven hen. Dit zou een verhoogde insluiting van organisch materiaal onder de OMZ tegengaan. Welk effect - bijna oppervlakteregeneratie of de dop van de OMZ - zou kunnen winnen, is een vraag voor meer onderzoek, zegt Pavia. Maar de ontdekking impliceert dat de verspreiding van OMZ's misschien niet zo gunstig is als eerder werd gedacht. (In ieder geval niet voor koolstofopslag; OMZ's zijn schadelijk, in die zin dat ze veel zeeleven doden in wat nu belangrijke visgebieden zijn.)

Verder weg, in de Zuid-Pacifische Gyre, de resultaten waren minder dubbelzinnig. Er is hier minder biologische activiteit dan boven de OMZ's door gebrek aan voedingsstoffen, en eerder onderzoek met behulp van sedimentvallen heeft gesuggereerd dat veel van het organische materiaal dat zich op het oppervlak vormt, naar de koude diepten zinkt. Daar vindt enige CO2-regeneratie plaats, maar het zou eeuwen duren voordat het gas weer boven water kwam. Echter, de nieuwe studie vond het tegenovergestelde:er is veel meer regeneratie in de buurt van het warmere oppervlak dan eerder door sommige studies werd geschat.

Dit is van belang omdat, zoals OMZ's, de South Pacific Gyre en soortgelijke stroomsystemen in andere delen van de oceanen zullen naar verwachting groeien naarmate de oceanen opwarmen. De gyres zullen deze regio's verdelen in gelaagde laagcakes van warmer water aan de bovenkant en kouder water eronder. En omdat, volgens de studie, zoveel CO2-regeneratie zal plaatsvinden in de warme, ondieper water, er zal uiteindelijk meer CO2 de lucht in gaan over grotere regio's. En in tegenstelling tot onder de dichter bij de kust gelegen OMZ's, "er is geen compenserend effect in de gyres, " zei Anderson. "Het verhaal met de gyres is dat over grote delen van de oceaan, koolstofopslag zal minder efficiënt worden." (Er zijn vier andere grote gyres:de noordelijke Stille Oceaan, de zuidelijke en noordelijke Atlantische Oceaan, en de Indische Oceaan.)

De onderzoekers wijzen erop dat de processen die ze bestudeerden slechts een onderdeel zijn van de koolstofcyclus van de oceaan. Fysische en chemische reacties onafhankelijk van de biologie zijn verantwoordelijk voor een groot deel van de uitwisseling van koolstof tussen atmosfeer en oceanen, en deze processen kunnen op complexe en onvoorspelbare manieren interageren met de biologie. "Dit [de studie] geeft ons informatie die we eerder niet hadden, dat we kunnen aansluiten op toekomstige modellen om betere schattingen te maken, ' zei Pavia.