De "biologische pomp" van de oceaan beschrijft de vele mariene processen die werken om koolstofdioxide uit de atmosfeer op te nemen en diep in de oceaan te transporteren, waar het eeuwenlang kan worden afgezonderd. Deze oceaanpomp is een krachtige regulator van atmosferische kooldioxide en een essentieel ingrediënt in elke wereldwijde klimaatvoorspelling.

Maar een nieuwe MIT-studie wijst op een aanzienlijke onzekerheid in de manier waarop de biologische pomp tegenwoordig wordt weergegeven in klimaatmodellen. Onderzoekers ontdekten dat de "gouden standaard" -vergelijking die wordt gebruikt om de kracht van de pomp te berekenen een grotere foutmarge heeft dan eerder werd gedacht, en dat voorspellingen van hoeveel koolstof in de atmosfeer de oceaan naar verschillende diepten zal pompen, 10 tot 15 delen per miljoen kunnen afwijken.

Gezien het feit dat de wereld momenteel kooldioxide in de atmosfeer uitstoot met een jaarlijks tempo van ongeveer 2,5 deeltjes per miljoen, het team schat dat de nieuwe onzekerheid zich vertaalt in een fout van ongeveer vijf jaar in de projecties van klimaatdoelen.

"Deze grotere foutbalk kan van cruciaal belang zijn als we binnen de 1,5 graad opwarming willen blijven die wordt nagestreefd door de Overeenkomst van Parijs, " zegt Jonathan Lauderdale, een onderzoekswetenschapper in het MIT's Department of Earth, Atmosferische en planetaire wetenschappen. "Als de huidige modellen voorspellen dat we tot 2040 de tijd hebben om de CO2-uitstoot te verminderen, we vergroten de onzekerheid daarover, om te zeggen dat we misschien nu tot 2035 hebben, wat best een groot probleem kan zijn."

Lauderdale en voormalig MIT-afgestudeerde B.B. Cael, nu in het National Oceanography Centre in Southampton, VK, hebben hun studie vandaag in het tijdschrift gepubliceerd Geofysische onderzoeksbrieven .

Sneeuwcurve

De mariene processen die bijdragen aan de biologische pomp van de oceaan beginnen met fytoplankton, microscopisch kleine organismen die tijdens hun groei koolstofdioxide uit de atmosfeer opnemen. Als ze sterven, fytoplankton zakt collectief door de waterkolom als "zeesneeuw, " die koolstof met zich meedragen.

"Deze deeltjes regenen neer als witte vlokkige sneeuw, dat is al dit dode spul dat uit de oppervlakte-oceaan valt, ' zegt Lauderdale.

Op verschillende diepten worden de deeltjes geconsumeerd door microben, die de organische koolstof van de deeltjes omzetten en inademen in de diepe oceaan in een anorganische, minerale vorm, in een proces dat bekend staat als remineralisatie.

In 1980, onderzoekers verzamelden zeesneeuw op locaties en diepten in de tropische Stille Oceaan. Uit deze waarnemingen genereerden ze een eenvoudige wiskundige relatie met machtswetten:de Martin-curve, genoemd naar teamlid John Martin - om de kracht van de biologische pomp te beschrijven, en hoeveel koolstof de oceaan op verschillende diepten kan remineraliseren en vastleggen.

"De Martin-curve is alomtegenwoordig, en het is echt de gouden standaard [die tegenwoordig in veel klimaatmodellen wordt gebruikt], ' zegt Lauderdale.

Maar anno 2018, Cael en co-auteur Kelsey Bisson toonden aan dat de machtswet die is afgeleid om de Martin-curve te verklaren niet de enige vergelijking was die bij de waarnemingen kon passen. De machtswet is een eenvoudige wiskundige relatie die ervan uitgaat dat deeltjes sneller vallen met diepte. Maar Cael ontdekte dat verschillende andere wiskundige relaties, elk gebaseerd op verschillende mechanismen voor hoe zeesneeuw zakt en opnieuw wordt gemineraliseerd, zou de gegevens ook kunnen verklaren.

Bijvoorbeeld, een alternatief gaat ervan uit dat deeltjes met dezelfde snelheid vallen, ongeacht de diepte, terwijl een ander ervan uitgaat dat deeltjes met zware, minder consumeerbare fytoplanktonschelpen vallen sneller dan die zonder.

"Hij ontdekte dat je niet kunt zien welke curve de juiste is, wat een beetje verontrustend is, omdat elke curve verschillende mechanismen heeft, " zegt Lauderdale. "Met andere woorden, mogelijk gebruiken onderzoekers de 'verkeerde' functie om de sterkte van de biologische pomp te voorspellen. Deze discrepanties kunnen sneeuwballen en klimaatprojecties beïnvloeden."

een bocht, heroverwogen

In de nieuwe studie Lauderdale en Cael keken hoeveel verschil het zou maken voor schattingen van koolstof die diep in de oceaan is opgeslagen als ze de wiskundige beschrijving van de biologische pomp zouden veranderen.

Ze begonnen met dezelfde zes alternatieve vergelijkingen, of remineralisatiecurven, die Cael eerder had bestudeerd. Het team bekeek hoe de voorspellingen van klimaatmodellen van atmosferische kooldioxide zouden veranderen als ze waren gebaseerd op een van de zes alternatieven, versus de machtswet van de Martin-curve.

Om de vergelijking statistisch zo vergelijkbaar mogelijk te maken, ze passen eerst elke alternatieve vergelijking op de Martin-curve. De Martin-curve beschrijft hoeveel zeesneeuw verschillende diepten door de oceaan bereikt. De onderzoekers voerden de gegevenspunten van de curve in elke alternatieve vergelijking in. Vervolgens hebben ze elke vergelijking door de MITgcm geleid, een algemeen circulatiemodel dat simuleert, onder andere processen, de flux van koolstofdioxide tussen de atmosfeer en de oceaan.

Het team liet het klimaatmodel in de tijd vooruitlopen om te zien hoe elke alternatieve vergelijking voor de biologische pomp de schattingen van het model van koolstofdioxide in de atmosfeer veranderde. vergeleken met de machtswet van de Martin-curve. Ze ontdekten dat de hoeveelheid koolstof die de oceaan kan opnemen en vastleggen uit de atmosfeer sterk varieert, afhankelijk van de wiskundige beschrijving van de biologische pomp die ze gebruikten.

"Het verrassende was dat zelfs kleine veranderingen in de hoeveelheid remineralisatie of zeesneeuw die het naar verschillende diepten brengt vanwege de verschillende bochten, kunnen leiden tot significante veranderingen in atmosferische kooldioxide, ' zegt Lauderdale.

De resultaten suggereren dat de pompkracht van de oceaan, en de processen die bepalen hoe snel zeesneeuw valt, zijn nog een open vraag.

"We moeten absoluut nog veel meer metingen van zeesneeuw doen om de mechanismen achter wat er aan de hand is te doorbreken, Lauderdale voegt eraan toe. "Omdat waarschijnlijk al deze processen relevant zijn, maar we willen echt weten welke koolstofvastlegging stimuleren."

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.