Gli oceani della Terra hanno una notevole capacità naturale di estrarre carbonio dall'atmosfera e immagazzinarlo in profondità nelle acque oceaniche, esercitando un importante controllo sul clima globale.

Una gran parte dell'anidride carbonica emessa quando gli esseri umani bruciano combustibili fossili, ad esempio, viene assorbito e immagazzinato nell'oceano attraverso una serie di processi che costituiscono il ciclo del carbonio oceanico. Ma, il rapido ritmo con cui le emissioni di anidride carbonica stanno aumentando significa che il futuro del ciclo è incerto, soprattutto quando molti dei processi chiave rimangono poco compresi. In un nuovo articolo sulla rivista Natura , Tom Weber, un assistente professore di Scienze della Terra e dell'ambiente a Rochester, e i suoi colleghi, meccanismi critici delineati e quantificati coinvolti nel ciclo del carbonio oceanico, in particolare la "pompa biologica". Le loro nuove intuizioni possono essere utilizzate per guidare i modelli computerizzati del clima per prevedere meglio gli effetti del cambiamento climatico su un mondo in via di riscaldamento.

Sprofondando più in profondità nell'oceano

La pompa biologica descrive la somma di tutti i processi biologici che trasferiscono l'anidride carbonica dall'atmosfera all'oceano profondo. Piccole piante marine, noto come fitoplancton, prelevare anidride carbonica dalla superficie dell'oceano per produrre biomassa. La biomassa si aggrega in particelle, che poi sprofondano nell'oceano profondo. Nell'oceano profondo, le particelle si decompongono, rilasciando anidride carbonica. "L'effetto netto è il 'pompaggio' di CO2 dall'atmosfera all'oceano profondo, "dice Weber.

Più una particella affonda nell'oceano, più tempo impiegherà il carbonio per tornare in superficie e tornare nell'atmosfera. Carbonio rilasciato a profondità di poche centinaia di metri, Per esempio, viene fatto circolare di nuovo nell'atmosfera su scale temporali di 10 anni o meno, ma se le particelle affondano nell'oceano profondo, più profondo di 1, 000 metri:il loro carbonio può essere immagazzinato fino a 1, 000 anni prima di tornare in superficie.

Pompe per iniezione di particelle

I ricercatori in precedenza ritenevano che il trasferimento di particelle dalla superficie all'oceano profondo avvenisse semplicemente attraverso l'affondamento sotto la forza di gravità, ciò che Weber e i suoi colleghi considerano la "pompa gravitazionale biologica". Però, negli ultimi anni, gli scienziati hanno riconosciuto altri processi importanti nel trasferimento del carbonio dalle acque superficiali all'oceano profondo. Come indicato nel documento, questi includono la miscelazione fisica dell'oceano dal vento, da correnti oceaniche su larga scala, e per trasporto biologico attraverso animali come piccoli pesci che mangiano le particelle di biomassa in superficie e le espellono in profondità. I ricercatori si riferiscono a questi processi collettivamente come "pompe di iniezione di particelle" (PIP) perché possono "iniettare" particelle a profondità molto più profonde, rispetto alla semplice sedimentazione gravitazionale, prima che si verifichi la decomposizione e il carbonio venga rilasciato.

"È un modo molto più efficiente per estrarre il carbonio dalla superficie nelle acque profonde, "dice Weber.

Weber e i suoi colleghi hanno combinato prove osservative e nuovi modelli di calcolo per quantificare per la prima volta la quantità di carbonio trasferita dai PIP. Hanno scoperto che i PIP sono un fattore molto più influente di quanto si pensasse in precedenza:collettivamente, sono responsabili dello stoccaggio di carbonio nell'oceano tanto quanto la pompa gravitazionale biologica.

Il ciclo del carbonio oceanico e il cambiamento climatico

Poiché il ciclo del carbonio oceanico è influenzato dai cambiamenti ambientali della luce, temperatura, e disponibilità di nutrienti, i ricercatori possono utilizzare i loro nuovi risultati per migliorare i modelli climatici e prevedere meglio come il ciclo del carbonio oceanico risponderà ai futuri cambiamenti climatici globali, dice Weber. "Se vogliamo avere un potere predittivo rispetto alla pompa biologica, dobbiamo comprendere tutti i meccanismi e dotare i nostri modelli climatici globali di una rappresentazione completa".

Il ciclo del carbonio oceanico è particolarmente influenzato dai cambiamenti climatici a causa del riscaldamento delle acque oceaniche. L'oceano profondo è pieno di freddo, denso, e acqua ricca di sostanze nutritive mentre l'oceano di superficie è più caldo e leggero. Per mantenere la produttività biologica, il vento agita le acque dell'oceano, mescolandoli per portare l'acqua ricca di sostanze nutritive in superficie. Quando le temperature degli oceani aumentano a causa dei cambiamenti climatici, però, la differenza di densità tra l'acqua nell'oceano superficiale e l'acqua nell'oceano profondo aumenta, rendendo più difficile per l'oceano mescolarsi, dice Weber. "Le registrazioni satellitari mostrano che la produttività complessiva della superficie dell'oceano sta diminuendo perché l'agitazione dei nutrienti sta diventando meno efficiente".

La nuova ricerca di Weber aggiunge un'altra "ruga al problema, " dice. Le precedenti visualizzazioni della pompa biologica indicavano che una velocità di miscelazione oceanica ridotta rallenterebbe la produttività ma "non influenzerebbe realmente altri processi nella pompa biologica:una volta prodotte le particelle, la sola gravità li farebbe affondare e decomporsi." La nuova visione, però, indica che un rallentamento nella miscelazione diminuirà anche i PIP, che sono vitali per il ciclo del carbonio oceanico come "meccanismi di esportazione molto efficienti che portano le particelle belle e profonde dove il carbonio può essere immagazzinato più a lungo, "dice Weber.

Se le particelle non vengono portate in profondità nell'oceano, questo può, a sua volta, feed back sui cambiamenti climatici. "Se l'anidride carbonica viene rilasciata a profondità inferiori, sfugge più velocemente nell'atmosfera, significa più anidride carbonica nell'atmosfera dove contribuisce al riscaldamento globale".