I vortici subtropicali sono enormi, correnti sostenute che attraversano migliaia di chilometri attraverso gli oceani Pacifico e Atlantico, dove cresce poco.

Con sostanze nutritive scarse, fitoplancton, le piante microscopiche che costituiscono la base della catena alimentare marina, lottare per prosperare.

Però, alcuni fitoplancton vivono nell'ambiente ostile di questi vortici, ed esattamente come ottengono i loro nutrienti è stato a lungo un mistero.

Ora la ricerca di Edward Doddridge, un postdoc presso il Dipartimento della Terra, Scienze atmosferiche e planetarie al MIT, ha scoperto che la crescita del fitoplancton nei vortici subtropicali è influenzata da uno strato d'acqua ben al di sotto della superficie dell'oceano, che consente il riciclo dei nutrienti in superficie.

Lavorando con David Marshall all'Università di Oxford, Doddridge ha sviluppato un modello per studiare il meccanismo alla base della crescita del fitoplancton all'interno dei vortici, che appare in Journal of Geophysical Research:Oceans .

Secondo i libri di testo, i venti spingono le acque superficiali al centro dei gyres e poi verso il basso, portando via i nutrienti dalla zona illuminata dal sole e quindi impedendo al fitoplancton di prosperare.

Ma una precedente ricerca di Doddridge ha suggerito che questa visione è troppo semplicistica, e che il movimento dei vortici - l'equivalente oceanico dei sistemi meteorologici - all'interno dei vortici agisce contro questo movimento, impedendo che l'acqua venga spinta molto verso il basso.

Per indagare ulteriormente su questo, i ricercatori hanno sviluppato un semplice modello al computer, in cui dividono l'oceano in due strati:lo strato illuminato dal sole e uno strato di acqua omogenea sottostante, chiamato modalità acqua. Sotto questo strato di acqua modale c'è l'abisso, che non era incluso nel modello.

All'interno del modello, i ricercatori hanno incluso sia il processo di convergenza dell'acqua guidato dal vento dai lati del vortice e poi verso il basso, e il modo in cui i vortici dovrebbero agire contro questo movimento.

Quando hanno eseguito il modello, i suoi risultati rispecchiavano ampiamente le osservazioni dei gyre stessi, con maggiore concentrazione di nutrienti e produttività di fitoplancton ai bordi dei gyres, e minore produttività al centro.

Hanno quindi iniziato a variare i diversi parametri del modello, per indagare quale effetto ciò avrebbe sui livelli di nutrienti e sulla produttività del fitoplancton.

Per prima cosa hanno variato un meccanismo proposto in precedenza dai ricercatori e noto come pompaggio vorticoso, in cui il moto vorticoso delle correnti circolari fa più freddo, acqua ricca di sostanze nutritive dal basso.

"Abbiamo cambiato la quantità di fluido che questo meccanismo potrebbe scambiare tra lo strato illuminato dal sole e lo strato omogeneo sottostante, e abbiamo scoperto che aumentando il pompaggio vorticoso, la concentrazione di nutrienti è aumentata, come suggerito da ricerche precedenti, "dice Doddridge.

Però, l'effetto di questo pompaggio vorticoso iniziò a stabilizzarsi a livelli più alti. Più i ricercatori aumentavano il meccanismo di pompaggio vorticoso, più piccolo è diventato l'aumento della concentrazione di nutrienti.

Hanno quindi variato il processo di convergenza orizzontale dell'acqua e pompaggio verso il basso all'interno dei gyre, noto come trasporto residuo di Ekman. Hanno scoperto che questo processo ha avuto un impatto considerevole sulla concentrazione dei nutrienti.

Finalmente, i ricercatori hanno variato lo spessore dello strato di acqua omogenea sotto lo strato illuminato dal sole, che hanno anche scoperto di avere un impatto significativo sulla concentrazione di nutrienti.

Ricerche precedenti avevano suggerito che quando questo strato di acqua modale diventa più spesso, blocca i nutrienti che salgono dal basso, con conseguente riduzione dei livelli di produttività nella zona illuminata dal sole. Però, i risultati del modello suggeriscono il contrario è il caso, con uno strato modale più spesso che porta a una maggiore concentrazione di nutrienti. Ciò era particolarmente vero quando il livello di trasporto di Ekman era basso, dice Doddridge.

"Quando muoiono il fitoplancton e le altre cose che vivono nello strato illuminato dal sole, o essere mangiato ed espulso, iniziano a cadere attraverso l'oceano, e le loro sostanze nutritive vengono riassorbite nell'acqua, "dice Doddridge.

"Quindi più spesso è lo strato omogeneo, più tempo impiegano queste particelle a cadere attraverso di essa, e più dei loro nutrienti vengono assorbiti nel fluido, da riciclare come cibo".

Mentre i nutrienti rimangono nello strato omogeneo, non ci vuole molta energia per rimescolarli in superficie, dice Doddridge. Ma se cadono rapidamente sotto di esso nell'abisso, poiché lo strato omogeneo è sottile, per esempio, i nutrienti sono essenzialmente tagliati fuori dall'acqua superficiale sopra, lui dice.

Quando i ricercatori hanno testato i risultati del modello utilizzando i dati dei satelliti, robot autonomi, e navi, hanno scoperto che supportava le loro scoperte, suggerendo che l'acqua in modalità più densa migliora effettivamente la crescita del fitoplancton all'interno dei vortici subtropicali.

Nel futuro, Doddridge vorrebbe condurre ulteriori esperimenti utilizzando modelli più complessi, per ottenere ulteriori informazioni sul modo in cui i nutrienti vengono immessi e riciclati all'interno dei vortici subtropicali.

Le acque oceaniche superiori povere di nutrienti del vortice subtropicale svolgono ruoli importanti a livello globale nell'assorbimento del carbonio oceanico, con processi biologici che mediano una grande frazione di questo assorbimento di carbonio, ma i processi che forniscono i nutrienti necessari per supportare la produzione biologica netta in questi ecosistemi rimangono poco chiari, secondo Matthew Church dell'Università del Montana, che non è stato coinvolto nella ricerca.

"Il documento evidenzia il ruolo chiave dei processi fisici (in particolare i vortici) nella regolazione sia dell'apporto ascendente di nutrienti, e il flusso discendente di materia organica che affonda, Chiesa dice. "Gli autori concludono che quest'ultimo termine, in particolare la profondità oltre la quale le particelle organiche vengono rimineralizzate, pone vincoli alla produttività delle acque sovrastanti. Questa conclusione derivata dal modello presenta un'ipotesi verificabile sul campo".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.