Subtropische gyres zijn enorme roterende oceaanstromingen die aanhoudende circulaties genereren in de subtropische gebieden van de aarde net ten noorden en ten zuiden van de evenaar. Deze gyres zijn langzaam bewegende draaikolken die circuleren in enorme bassins over de hele wereld, terwijl ze voedingsstoffen, organismen en soms afval verzamelen, terwijl de stromingen van kust tot kust roteren.

Jarenlang hebben oceanografen zich verbaasd over tegenstrijdige waarnemingen binnen subtropische gyres. Aan de oppervlakte lijken deze enorme stromingen gezonde populaties van fytoplankton te herbergen - microben die de rest van de oceaanvoedselketen voeden en verantwoordelijk zijn voor het opzuigen van een aanzienlijk deel van de koolstofdioxide van de atmosfeer.

Maar afgaand op wat wetenschappers weten over de dynamiek van gyres, schatten ze dat de stromingen zelf niet genoeg voedingsstoffen zouden kunnen vasthouden om het fytoplankton dat ze zagen in stand te houden. Hoe konden de microben dan gedijen?

Nu hebben MIT-onderzoekers ontdekt dat fytoplankton leveringen van voedingsstoffen van buiten de gyres kan ontvangen, en dat het leveringsvoertuig de vorm heeft van wervelingen - veel kleinere stromingen die wervelen aan de randen van een gyre. Deze wervelingen trekken voedingsstoffen aan uit equatoriale gebieden met veel voedingsstoffen en duwen ze naar het midden van een werveling, waar de voedingsstoffen vervolgens worden opgenomen door andere stromingen en naar de oppervlakte worden gepompt om fytoplankton te voeden.

Oceaanwervelingen, zo ontdekte het team, lijken een belangrijke bron van voedingsstoffen te zijn in subtropische gyres. Hun aanvullend effect, dat de onderzoekers een 'voedingsrelais' noemen, helpt de populaties van fytoplankton in stand te houden, die een centrale rol spelen in het vermogen van de oceaan om koolstof uit de atmosfeer te sekwestreren. Terwijl klimaatmodellen de neiging hebben om een ​​afname van het vermogen van de oceaan om koolstof vast te leggen in de komende decennia te voorspellen, zou dit "nutriëntenrelais" kunnen helpen de koolstofopslag in de subtropische oceanen in stand te houden.

"Er is veel onzekerheid over hoe de koolstofcyclus van de oceaan zal evolueren naarmate het klimaat blijft veranderen", zegt Mukund Gupta, een postdoc bij Caltech die de studie leidde als een afgestudeerde student aan het MIT. "Zoals ons artikel laat zien, is het verkrijgen van de juiste koolstofverdeling niet eenvoudig en hangt het af van het begrijpen van de rol van wervelingen en andere kleine bewegingen in de oceaan."

Gupta en zijn collega's rapporteren deze week over hun bevindingen in de Proceedings of the National Academy of Sciences . De co-auteurs van de studie zijn Jonathan Lauderdale, Oliver Jahn, Christopher Hill, Stephanie Dutkiewicz en Michael Follows aan het MIT, en Richard Williams aan de Universiteit van Liverpool.

Een besneeuwde puzzel

Een dwarsdoorsnede van een oceaanwerveling lijkt op een stapel nestkommen die is gestratificeerd naar dichtheid:warmere, lichtere lagen liggen aan de oppervlakte, terwijl koudere, dichtere wateren diepere lagen vormen. Fytoplankton leeft in de bovenste zonovergoten lagen van de oceaan, waar de microben zonlicht, warme temperaturen en voedingsstoffen nodig hebben om te groeien.

Wanneer fytoplankton sterft, zinken ze door de lagen van de oceaan als 'zeesneeuw'. Een deel van deze sneeuw geeft voedingsstoffen terug in de stroming, waar ze weer worden opgepompt om nieuwe microben te voeden. De rest van de sneeuw zakt uit de gyre, tot in de diepste lagen van de oceaan. Hoe dieper de sneeuw zakt, hoe moeilijker het is om deze weer naar de oppervlakte te pompen. De sneeuw wordt dan gevangen, of afgezonderd, samen met eventuele niet-vrijgekomen koolstof en voedingsstoffen.

Oceanografen dachten dat de belangrijkste bron van voedingsstoffen in subtropische gyres afkomstig was van recirculerende zeesneeuw. Maar aangezien een deel van deze sneeuw onvermijdelijk naar de bodem zakt, moet er een andere bron van voedingsstoffen zijn om de gezonde populaties fytoplankton aan de oppervlakte te verklaren. Wat die bron precies is "heeft de oceanografische gemeenschap een tijdje een beetje in de war gebracht", zegt Gupta.

Wervelingen aan de rand

In hun nieuwe studie probeerde het team een ​​subtropische werveling te simuleren om te zien welke andere dynamiek aan het werk kan zijn. Ze concentreerden zich op de Noord-Pacifische gyre, een van de vijf belangrijkste gyres van de aarde, die over het grootste deel van de Noord-Pacifische Oceaan circuleert en meer dan 20 miljoen vierkante kilometer beslaat.

Het team begon met de MITgcm, een algemeen circulatiemodel dat de fysieke circulatiepatronen in de atmosfeer en oceanen simuleert. Om de dynamiek van de Noord-Pacifische gyre zo realistisch mogelijk te reproduceren, gebruikte het team een ​​MITgcm-algoritme, eerder ontwikkeld door NASA en MIT, dat het model afstemt op werkelijke waarnemingen van de oceaan, zoals oceaanstromingen geregistreerd door satellieten, en temperatuur en zoutgehalte metingen door schepen en zwervers.

"We gebruiken een simulatie van de fysieke oceaan die zo realistisch mogelijk is, gezien de machinerie van het model en de beschikbare waarnemingen", zegt Lauderdale.

Het realistische model legde fijnere details vast, met een resolutie van minder dan 20 kilometer per pixel, in vergelijking met andere modellen met een beperktere resolutie. Het team combineerde de simulatie van het fysieke gedrag van de oceaan met het Darwin-model - een simulatie van microbe-gemeenschappen zoals fytoplankton, en hoe ze groeien en evolueren met oceaanomstandigheden.

Het team voerde de gecombineerde simulatie van de Noord-Pacifische gyre gedurende een decennium uit en creëerde animaties om het patroon van stromingen en de voedingsstoffen die ze droegen, in en rond de gyre te visualiseren. Wat ontstond waren kleine wervelingen die langs de randen van de enorme werveling liepen en rijk aan voedingsstoffen leken te zijn.

"We pikten kleine wervelbewegingen op, eigenlijk zoals weersystemen in de oceaan", zegt Lauderdale. "Deze wervelingen droegen pakketten water met veel voedingsstoffen, van de evenaar, noordwaarts naar het midden van de gyre en naar beneden langs de zijkanten van de kommen. We vroegen ons af of deze werveloverdrachten een belangrijk leveringsmechanisme vormden."

Verrassend genoeg gaan de voedingsstoffen eerst dieper, weg van het zonlicht, voordat ze weer naar boven worden teruggebracht waar het fytoplankton leeft. Het team ontdekte dat oceaanwervelingen tot 50 procent van de voedingsstoffen in subtropische gyres kunnen leveren.

"Dat is heel belangrijk", zegt Gupta. "Het verticale proces waarbij voedingsstoffen uit zeesneeuw worden gerecycled, is slechts de helft van het verhaal. De andere helft is het aanvullend effect van deze wervelingen. Aangezien subtropische gyres een aanzienlijk deel van de oceanen van de wereld bijdragen, denken we dat dit nutriëntenrelais van mondiaal belang is." + Verder verkennen

Hoe fytoplankton overleeft in oceaanstromingen met een lage nutriëntenvoorziening