Questo ormeggio NOAA al largo della costa di Washington trasporta una varietà di sensori relativi al carbonio. Fassbender vorrebbe potenziarli con un nuovo strumento che lei e altri ricercatori stanno sviluppando. Credito:Richard Feely, NOAA PMEL
Come tempeste disastrose, inondazioni, e gli incendi diventano più comuni negli Stati Uniti e altrove, gli esseri umani stanno appena iniziando ad apprezzare alcuni degli impatti del riscaldamento globale. Ma questi impatti sarebbero molto peggiori se l'oceano non avesse assorbito circa il 45% dell'anidride carbonica rilasciata dall'uomo dall'inizio della rivoluzione industriale. Sebbene gli scienziati sappiano da tempo che gli oceani assorbono molta anidride carbonica, i dettagli di questo processo sono ancora confusi. Il chimico marino MBARI Andrea Fassbender sta cercando di mettere a fuoco questo processo studiando quando, dove, e come il carbonio si muove tra l'atmosfera, oceano superiore, e mare profondo.
Le basi di questo processo di riciclaggio del carbonio sono relativamente ben comprese. Quando le concentrazioni di anidride carbonica sono più elevate nell'atmosfera che nelle acque superficiali dell'oceano, l'anidride carbonica dall'atmosfera si dissolverà nell'oceano. Parte di questa anidride carbonica viene utilizzata da alghe microscopiche che incorporano carbonio nei loro corpi mentre crescono e si riproducono nelle acque superficiali illuminate dal sole.
Quando le alghe microscopiche vengono consumate da animali e microbi, il carbonio nei loro corpi viene trasferito a questi organismi, che trasportano il carbonio all'interno dei loro corpi o lo rilasciano come rifiuto nell'acqua circostante. La maggior parte di questo carbonio rimane entro circa 100 metri dalla superficie del mare, dove può facilmente tornare nell'atmosfera, soprattutto nei mesi invernali, quando le acque oceaniche sono più agitate e la concentrazione di alghe è minore.
Però, una piccola ma di vitale importanza di questo carbonio affonda in acque più profonde, centinaia o migliaia di metri sotto la superficie del mare. Parte di questo carbonio viene trasportato nelle profondità sotto forma di neve marina:minuscole macchie di alghe e animali morti, materiale di scarto, e muco. Più in basso questo carbonio affonda, più a lungo è probabile che rimanga immagazzinato nell'oceano prima di entrare di nuovo in contatto con l'atmosfera.
Se il carbonio affonda abbastanza in profondità da non essere riportato in superficie dalla miscelazione invernale, si considera esportato dalle acque superficiali. Se il carbonio raggiunge profondità alle quali è improbabile che venga riportato in superficie per centinaia di anni o più, è considerato sequestrato nel mare profondo.
Gli oceanografi chiamano questo processo di trasporto verticale del carbonio la pompa biologica, ed è al centro di gran parte della ricerca di Fassbender. Sebbene il concetto generale di pompa biologica sia relativamente semplice, i dettagli sono estremamente complicati e coinvolgono molte sostanze chimiche interconnesse, biologico, e processi fisici, che variano da luogo a luogo e su scale temporali che vanno da minuti a millenni. La pompa biologica è anche un componente importante nei modelli informatici utilizzati dagli scienziati per prevedere il riscaldamento globale.
Per comprendere appieno la pompa biologica, gli oceanografi devono misurare il carbonio nell'oceano in tutte le sue varie forme, Compreso:
Nell'ultimo anno Fassbender è stato attivamente coinvolto in numerosi progetti di ricerca e pubblicazioni incentrati sul ciclo del carbonio nell'oceano, con un'enfasi sulla pompa biologica del carbonio e sui processi che controllano il modo in cui gli oceani assorbono il carbonio generato dall'uomo. Il testo seguente descrive alcuni di questi lavori innovativi.
L'importanza delle stagioni in mare
Nel settembre 2018 Fassbender ha pubblicato un documento di ricerca in Cicli biogeochimici globali che ha evidenziato l'importanza dei cambiamenti stagionali nelle concentrazioni di anidride carbonica in diverse parti dell'oceano.
L'anidride carbonica è più solubile in acqua fredda che in acqua calda. Di conseguenza, il riscaldamento stagionale delle acque superficiali durante la primavera e l'estate aumenta la pressione parziale del gas di anidride carbonica nell'acqua di mare (la pressione parziale di un gas è direttamente correlata alla sua concentrazione). Però, le alghe microscopiche crescono rapidamente durante la primavera e l'estate, consumando anidride carbonica. In alcune impostazioni questo contrasta l'effetto del riscaldamento delle acque.
Poiché l'anidride carbonica è più solubile in acqua fredda, il raffreddamento stagionale dell'oceano durante l'inverno fa diminuire la pressione parziale dell'anidride carbonica. Inoltre, la turbolenza delle tempeste invernali porta acque profonde, ricco di anidride carbonica, verso la superficie durante l'inverno, che lavora per contrastare l'influenza dell'acqua più fredda.
Questi processi sono comuni a tutte le regioni oceaniche, ma i loro tempi e la loro grandezza possono variare da luogo a luogo, determinando cicli stagionali unici di anidride carbonica nelle acque superficiali.
A seguito dei processi sopra descritti, le aree oceaniche ad alta latitudine assorbono tipicamente anidride carbonica dall'atmosfera durante i mesi primaverili ed estivi a causa dell'attività biologica e rilasciano anidride carbonica nell'atmosfera durante l'autunno e l'inverno a causa della miscelazione profonda.
Nelle zone a bassa latitudine (più vicino all'equatore), i cambiamenti stagionali della temperatura dell'acqua determinano in gran parte le variazioni di anidride carbonica dell'oceano superficiale. Il risultato è che queste aree tendono ad avere pressioni parziali di anidride carbonica più elevate durante l'estate e valori più bassi in inverno.
Il recente articolo di Fassbender ha mostrato che il carbonio generato dall'uomo che entra negli oceani altererà questi cicli stagionali, Per esempio, amplificando in maniera asimmetrica gli estremi stagionali. Per esempio, alcune regioni possono mostrare una crescita maggiore nel livello massimo estivo di anidride carbonica rispetto al livello minimo invernale di anidride carbonica nel tempo, determinando un aumento complessivo della gamma delle variazioni stagionali di anidride carbonica.
Questa scoperta ha importanti implicazioni su come l'assorbimento del carbonio da parte degli oceani potrebbe cambiare in futuro. Inoltre, suggerisce che gli scienziati devono effettuare osservazioni che abbracciano l'intero anno per stimare con precisione le tendenze a lungo termine del contenuto di gas di anidride carbonica dell'oceano superficiale, perché le tendenze durante l'inverno e l'estate potrebbero non essere le stesse.
Riunire ricercatori sul campo e modellisti
Sebbene gli scienziati abbiano sicuramente bisogno di più misurazioni del carbonio invernale nelle aree oceaniche ad alta latitudine, ci sono molte altre aree oceaniche in cui i dettagli del ciclo del carbonio non sono ben compresi. Per esempio, le cosiddette "correnti di confine occidentali, come la Corrente del Golfo nell'Atlantico nordoccidentale e la Corrente Kuroshio nel Pacifico nordoccidentale, sono di vitale importanza nel trasporto di calore e carbonio negli oceani del mondo.
Nell'autunno 2017, Fassbender ha co-organizzato un workshop presso MBARI in cui ricercatori sul campo ed esperti di modellazione computerizzata hanno potuto discutere del ciclo del carbonio nelle correnti di confine occidentali. Gli obiettivi principali del workshop erano riunire scienziati osservativi e modellisti per confrontare le loro scoperte e proporre metodi per colmare le lacune nella comprensione di queste aree da parte degli scienziati. Erano particolarmente interessati alla raccolta di nuovi dati che miglioreranno i modelli informatici del ciclo del carbonio oceanico.
Il workshop è stato co-sponsorizzato dal programma statunitense di variabilità e prevedibilità climatica (CLIVAR) e dal programma statunitense Ocean Carbon and Biogeochemistry. Dopo il workshop Fassbender e colleghi hanno compilato e modificato un rapporto che riassume le domande chiave e le raccomandazioni relative al ciclo del carbonio nelle correnti di confine occidentali, che è stato pubblicato nell'agosto 2018 e presentato allo US CLIVAR Inter-Agency Group nell'ottobre 2018.
Migliorare le stime satellitari dell'aggiornamento del carbonio negli oceani
La NASA sta adottando un altro approccio alla sfida globale, tutto l'anno, monitoraggio del carbonio oceanico. Contemporaneamente all'uscita del suo recente articolo su Global Biogeochemical Cycles, Fassbender e altri ricercatori MBARI sono stati coinvolti in un grande esperimento sul campo chiamato Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS), finanziato dalla NASA e dalla National Science Foundation.
Durante la crociera di ricerca EXPORTS dell'estate 2018, due grandi navi da ricerca oceanografica e scienziati di oltre 15 team di progetto e numerosi istituti di ricerca statunitensi si sono diretti nel Pacifico settentrionale per raccogliere dati sulla pompa biologica, utilizzando una vasta gamma di strumenti di laboratorio all'avanguardia, sensori e robot autonomi, e satelliti.
I satelliti forniscono un servizio a lungo termine, visione globale dell'oceano. Però, sensori satellitari, per la maggior parte, osservare solo gli strati più alti dell'oceano. Così, un obiettivo primario dell'esperimento EXPORTS era quello di scoprire i dettagli della pompa biologica e la loro relazione con le proprietà ottiche nella colonna d'acqua (che può essere osservata dai satelliti). Questo significava scavare nel fisico, chimico, e processi biologici coinvolti nella pompa biologica.
Imparando di più sui meccanismi coinvolti nella pompa biologica, i ricercatori sperano di migliorare le stime satellitari di quanto carbonio viene esportato nelle profondità marine. Confrontando le osservazioni della superficie e del sottosuolo nel Pacifico settentrionale (così come nell'Atlantico settentrionale durante un secondo esperimento nel 2020), I ricercatori finanziati dalla NASA e dall'NSF svilupperanno metodi migliori per utilizzare le osservazioni satellitari per studiare il ciclo del carbonio marino.
Durante l'esperimento EXPORTS, Fassbender e i suoi colleghi hanno usato robot, galleggianti di chimica oceanica alla deriva, e altri strumenti automatizzati per misurare i processi fisici e biologici nel Pacifico nordorientale, sia in superficie che in profondità. I galleggianti rimarranno in mare per anni alla volta, consentendo a Fassbender e ai suoi colleghi di stimare la quantità di carbonio immagazzinata a diverse profondità nell'oceano e in diversi periodi dell'anno. Il team ha appena iniziato ad analizzare i dati di questi strumenti.
Acidificazione degli oceani nel Pacifico nord-occidentale
Tutti i progetti sopra elencati mostrano l'importanza di raccogliere nuovi dati che mostrino come la chimica del carbonio nell'oceano cambia durante l'anno. Ma Fassbender è anche interessato alle misurazioni storiche e alle tendenze a lungo termine nella chimica del carbonio, compreso il processo di acidificazione degli oceani.
L'acidificazione dell'oceano si verifica quando l'anidride carbonica si dissolve nelle acque superficiali dell'oceano, diminuendo la concentrazione di ioni carbonato, e facendo diventare l'acqua di mare più acida. A luglio 2018, Fassbender e i suoi colleghi hanno pubblicato un articolo su Earth System Science Data incentrato sull'acidificazione degli oceani intorno allo Stato di Washington, un'area in cui l'industria costiera dei molluschi potrebbe già subire gli impatti del cambiamento della chimica dell'oceano.
Nella preparazione di questo documento, Fassbender e i suoi coautori hanno raccolto e analizzato praticamente tutti i dati esistenti e storici sulla chimica del carbonio per questa regione:circa 100, 000 misurazioni in tutto. Ciò includeva dati storici da "atlanti oceanici" e dati da navi di ricerca, monitoraggio delle boe, ed esperimenti sul campo.
Questo studio era unico perché ha fornito informazioni di base moderne sulla variabilità stagionale di numerosi dati sul carbonio oceanico in tutta la regione, informazioni che prima non esistevano. Questi dati sul carbonio includevano il pH (acidità) dell'acqua di mare superficiale, diossido di carbonio, carbonio inorganico disciolto, alcalinità totale, e lo stato di saturazione dell'aragonite (minerale che costituisce i gusci di molti organismi marini). I dati raccolti serviranno da prezioso riferimento che aiuterà gli scienziati a rilevare i cambiamenti nella chimica dell'acqua di mare in questa regione nei prossimi anni e decenni.
Oltre a fornire una base di riferimento, o il senso di ciò che è attualmente normale nelle acque oceaniche dello Stato di Washington, la ricerca ha evidenziato importanti differenze nella chimica del carbonio tra le acque semichiuse di Puget Sound e l'Oceano Pacifico aperto. Per esempio, i dati hanno mostrato che l'intervallo stagionale dell'acidità dell'acqua di mare superficiale all'interno del Canale di Hood è circa 27 volte maggiore rispetto alle acque dell'oceano aperto al largo di Washington.
Questa scoperta indica che le alghe e gli animali che vivono nelle acque protette del Pacifico nord-occidentale sono esposti a cambiamenti stagionali di acidità molto più grandi (oltre a tutte le altre variabili del sistema carbonatico valutate) rispetto a quelli che vivono nelle vicine acque dell'oceano aperto.
Il futuro automatizzato delle misurazioni della chimica oceanica
In questi giorni, Fassbender sta continuando il suo lavoro sul ciclo del carbonio su diversi fronti. Nel corso del 2019, spera di sviluppare un nuovo strumento per la chimica del carbonio da utilizzare su boe oceaniche e robot di superficie che possano rimanere in mare per mesi alla volta e attraversare vaste aree dell'oceano. Fassbender sta lavorando con diversi ingegneri a MBARI su questo progetto, così come ricercatori presso la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e l'Università delle Hawaii.
Uno dei loro obiettivi è installare il nuovo strumento sulle boe di monitoraggio climatico della NOAA. Gli strumenti esistenti su queste boe misurano l'anidride carbonica nell'atmosfera e nell'oceano di superficie, e alcune boe sono anche dotate di sensori di pH. Il nuovo strumento misurerebbe il carbonio inorganico disciolto oltre all'anidride carbonica, fornendo agli scienziati nuove informazioni sull'assorbimento del carbonio oceanico e sui cambiamenti nella chimica oceanica.
A livello globale, Fassbender osserva che, negli ultimi 10 anni, uno sforzo concertato per espandere e compilare osservazioni per tutto l'anno delle osservazioni del biossido di carbonio oceanico di superficie ha già fornito agli scienziati una maggiore comprensione di quanto carbonio si muove tra l'oceano e l'atmosfera ogni anno. Spera che sviluppando nuovi strumenti e distribuendoli sulle piattaforme di tutto il mondo, lei e i suoi colleghi ricercatori otterranno preziose informazioni sui dettagli più fini del ciclo del carbonio nelle regioni oceaniche remote. Questo a sua volta, contribuirà a migliorare i modelli informatici critici che gli scienziati utilizzano per prevedere il clima futuro sulla Terra.
