De Zuidelijke Oceaan rond Antarctica is een regio waar veel van 's werelds koolstofrijke diepe wateren weer naar de oppervlakte kunnen stijgen. Wetenschappers hebben gedacht dat de enorme stukken zee-ijs rond Antarctica kunnen dienen als een deksel voor opwellende koolstof, voorkomen dat het gas door het oppervlak van de oceaan breekt en terugkeert naar de atmosfeer.

Echter, onderzoekers van MIT hebben nu een tegenwerkend effect geïdentificeerd dat suggereert dat Antarctisch zee-ijs misschien niet zo'n krachtige controle heeft op de wereldwijde koolstofcyclus als wetenschappers hadden vermoed.

In een studie gepubliceerd in het augustusnummer van het tijdschrift Wereldwijde biogeochemische cycli , het team heeft ontdekt dat inderdaad, zee-ijs in de Zuidelijke Oceaan kan fungeren als een fysieke barrière voor opwellende koolstof. Maar het kan ook als een schaduw fungeren, het zonlicht blokkeren van het bereiken van de oppervlakte-oceaan. Zonlicht is essentieel voor fytosynthese, het proces waarbij fytoplankton en andere oceaanmicroben koolstof uit de atmosfeer opnemen om te groeien.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer zee-ijs zonlicht blokkeert, biologische activiteit - en de hoeveelheid koolstof die microben uit de atmosfeer kunnen vastleggen - neemt aanzienlijk af. En verrassend, dit schaduweffect is bijna gelijk en tegengesteld aan dat van het afdekeffect van zee-ijs. Bij elkaar genomen, beide effecten heffen elkaar in wezen op.

"Wat de toekomstige klimaatverandering betreft, het verwachte verlies van zee-ijs rond Antarctica kan daarom de koolstofconcentratie in de atmosfeer niet verhogen, " zegt hoofdauteur Mukund Gupta, die het onderzoek uitvoerde als een afgestudeerde student in MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS).

Hij benadrukt dat zee-ijs wel degelijk andere effecten heeft op het mondiale klimaat, vooral door zijn albedo, of het vermogen om zonnestraling te reflecteren.

"Als de aarde opwarmt, het verliest zee-ijs en absorbeert meer van deze zonnestraling, dus in die zin het verlies van zee-ijs kan de klimaatverandering versnellen, " zegt Gupta. "Wat we hier kunnen zeggen is, veranderingen in het zee-ijs hebben misschien niet zo'n sterk effect op de koolstofuitgassing rond Antarctica door dit afdek- en schaduweffect."

Gupta's co-auteurs zijn EAPS Professor Michael "Mick" Follows, en EAPS-onderzoeker Jonathan Lauderdale.

De rol van ijs

Elke winter, brede delen van de Zuidelijke Oceaan bevriezen, vormen enorme lagen zee-ijs die zich uitstrekken vanaf Antarctica over miljoenen vierkante mijlen. De rol van Antarctisch zee-ijs bij het reguleren van het klimaat en de koolstofcyclus is veel besproken, hoewel de heersende theorie is dat zee-ijs kan fungeren als een deksel om te voorkomen dat koolstof in de oceaan ontsnapt naar de atmosfeer.

"Deze theorie wordt meestal gedacht in de context van ijstijden, toen de aarde veel kouder was en de atmosferische koolstof lager was, " zegt Gupta. "Een van de theorieën die deze lage koolstofconcentratie verklaart, stelt dat omdat het kouder was, een dikke zee-ijslaag die zich verder in de oceaan uitstrekte, het blokkeren van koolstofuitwisselingen met de atmosfeer en het effectief opsluiten in de diepe oceaan."

Gupta en zijn collega's vroegen zich af of er misschien ook een ander effect dan capping in het spel is. In het algemeen, de onderzoekers hebben geprobeerd te begrijpen hoe verschillende kenmerken en processen in de oceaan interageren met oceaanbiologie zoals fytoplankton. Ze gingen ervan uit dat er misschien minder biologische activiteit is als gevolg van het feit dat zee-ijs het vitale zonlicht van microben blokkeert, maar hoe sterk zou dit schaduweffect zijn?

Gelijk en tegengesteld

Om die vraag te beantwoorden, de onderzoekers gebruikten de MITgcm, een wereldwijd circulatiemodel dat de vele fysieke, chemisch, en biologische processen die betrokken zijn bij de circulatie van de atmosfeer en de oceaan. Met MITgcm, ze simuleerden een verticaal stuk van de oceaan over 3, 000 kilometer breed en ongeveer 4, 000 meter diep, en met omstandigheden die vergelijkbaar zijn met de huidige Zuidelijke Oceaan. Vervolgens hebben ze het model meerdere keren uitgevoerd, telkens met een andere concentratie zee-ijs.

"Bij 100 procent concentratie, er zijn geen lekken in het ijs, en het is echt samengeperst, versus zeer lage concentraties die losse en schaarse ijsschotsen vertegenwoordigen die zich verplaatsen, ’ legt Gupta uit.

Ze stellen elke simulatie in op een van de drie scenario's:een waarin alleen het aftoppingseffect actief is, en zee-ijs beïnvloedt alleen de koolstofcyclus door te voorkomen dat koolstof terug naar de atmosfeer lekt; een andere waar alleen het schaduweffect actief is, en zee-ijs blokkeert alleen zonlicht om de oceaan binnen te dringen; en de laatste waarin zowel afdek- als schaduweffecten een rol spelen.

Voor elke simulatie de onderzoekers observeerden hoe de omstandigheden die ze stelden de algehele koolstofflux beïnvloedden, of hoeveelheid koolstof die uit de oceaan naar de atmosfeer is ontsnapt.

Ze ontdekten dat capping en shading tegengestelde effecten hadden op de koolstofcyclus, in het eerste geval de hoeveelheid koolstof in de atmosfeer verminderen en in het laatste geval verhogen, met gelijke bedragen. In de scenario's waarin beide effecten werden overwogen, de een deed de ander bijna geheel teniet, over een breed scala van zee-ijsconcentraties, leidend tot geen significante verandering in de koolstofflux. Alleen toen het zee-ijs de hoogste concentratie had, had capping de rand, met een afname van koolstof die naar de atmosfeer ontsnapt.

De resultaten suggereren dat Antarctisch zee-ijs effectief koolstof in de oceaan kan vasthouden, maar alleen als die ijslaag erg uitgestrekt en dik is. Anders, het lijkt erop dat het schaduweffect van zee-ijs op de onderliggende organismen het afdekkende effect ervan kan tegengaan.

"Als je alleen maar de fysica en de pure aftopping in ogenschouw zou nemen, of koolstofbarrière idee, dat zou een onvolledige manier van denken zijn, ", zegt Gupta. "Dit toont aan dat we meer moeten begrijpen van de biologie onder zee-ijs en hoe dit ten grondslag ligt aan dit effect."