I vortici subtropicali sono enormi correnti oceaniche rotanti che generano circolazioni sostenute nelle regioni subtropicali della Terra appena a nord ea sud dell'equatore. Questi vortici sono vortici a lento movimento che circolano all'interno di enormi bacini in tutto il mondo, raccogliendo nutrienti, organismi e talvolta spazzatura, mentre le correnti ruotano da costa a costa.

Per anni, gli oceanografi si sono interrogati su osservazioni contrastanti all'interno di vortici subtropicali. In superficie, queste enormi correnti sembrano ospitare popolazioni sane di fitoplancton, microbi che alimentano il resto della catena alimentare oceanica e sono responsabili dell'aspirazione di una parte significativa dell'anidride carbonica dall'atmosfera.

Ma a giudicare da ciò che gli scienziati sanno sulla dinamica dei vortici, hanno stimato che le correnti stesse non sarebbero in grado di mantenere abbastanza nutrienti per sostenere il fitoplancton che stavano vedendo. Come sono stati quindi in grado di prosperare i microbi?

Ora, i ricercatori del MIT hanno scoperto che il fitoplancton può ricevere consegne di nutrienti dall'esterno dei vortici e che il veicolo di consegna ha la forma di vortici, correnti molto più piccole che vorticano ai bordi di un vortice. Questi vortici attirano i nutrienti dalle regioni equatoriali ad alto contenuto di nutrienti e li spingono al centro di un vortice, dove i nutrienti vengono poi assorbiti da altre correnti e pompati in superficie per nutrire il fitoplancton.

I vortici oceanici, ha scoperto il team, sembrano essere un'importante fonte di nutrienti nei vortici subtropicali. Il loro effetto ricostituente, che i ricercatori chiamano "relè di nutrienti", aiuta a mantenere le popolazioni di fitoplancton, che svolgono un ruolo centrale nella capacità dell'oceano di sequestrare il carbonio dall'atmosfera. Mentre i modelli climatici tendono a proiettare un declino nella capacità dell'oceano di sequestrare il carbonio nei prossimi decenni, questo "relè di nutrienti" potrebbe aiutare a sostenere lo stoccaggio del carbonio negli oceani subtropicali.

"C'è molta incertezza su come si evolverà il ciclo del carbonio nell'oceano mentre il clima continua a cambiare", afferma Mukund Gupta, un post-dottorato al Caltech che ha guidato lo studio come studente laureato al MIT. "Come mostra il nostro articolo, ottenere la corretta distribuzione del carbonio non è semplice e dipende dalla comprensione del ruolo dei vortici e di altri movimenti su scala ridotta nell'oceano".

Gupta e i suoi colleghi riportano le loro scoperte questa settimana negli Proceedings of the National Academy of Sciences . I coautori dello studio sono Jonathan Lauderdale, Oliver Jahn, Christopher Hill, Stephanie Dutkiewicz e Michael Follows al MIT e Richard Williams all'Università di Liverpool.

Un puzzle innevato

Una sezione trasversale di un vortice oceanico ricorda una pila di ciotole di nidificazione che è stratificata per densità:strati più caldi e più leggeri si trovano in superficie, mentre le acque più fredde e più dense costituiscono strati più profondi. Il fitoplancton vive negli strati superiori dell'oceano illuminati dal sole, dove i microbi richiedono luce solare, temperature calde e sostanze nutritive per crescere.

Quando il fitoplancton muore, affonda attraverso gli strati dell'oceano come "neve marina". Parte di questa neve rilascia i nutrienti nella corrente, dove vengono pompati di nuovo per nutrire nuovi microbi. Il resto della neve sprofonda dal vortice, fino agli strati più profondi dell'oceano. Più profonda è la neve, più è difficile che venga pompata di nuovo in superficie. La neve viene quindi intrappolata o sequestrata, insieme al carbonio e ai nutrienti non rilasciati.

Gli oceanografi pensavano che la principale fonte di nutrienti nei vortici subtropicali provenisse dal ricircolo della neve marina. Ma poiché una parte di questa neve inevitabilmente affonda sul fondo, ci deve essere un'altra fonte di nutrienti per spiegare le popolazioni sane di fitoplancton in superficie. L'esatta fonte di questa fonte "ha lasciato un po' perplessa la comunità dell'oceanografia per un po' di tempo", afferma Gupta.

Vortici ai margini

Nel loro nuovo studio, il team ha cercato di simulare un vortice subtropicale per vedere quali altre dinamiche potrebbero essere all'opera. Si sono concentrati sul vortice del Pacifico settentrionale, uno dei cinque vortici principali della Terra, che circola sulla maggior parte dell'Oceano Pacifico settentrionale e si estende per oltre 20 milioni di chilometri quadrati.

Il team ha iniziato con il MITgcm, un modello di circolazione generale che simula i modelli di circolazione fisica nell'atmosfera e negli oceani. Per riprodurre la dinamica del vortice del Pacifico settentrionale nel modo più realistico possibile, il team ha utilizzato un algoritmo MITgcm, precedentemente sviluppato alla NASA e al MIT, che mette a punto il modello in modo che corrisponda alle effettive osservazioni dell'oceano, come le correnti oceaniche registrate dai satelliti, e la temperatura e la salinità misurazioni effettuate da navi e drifter.

"Utilizziamo una simulazione dell'oceano fisico quanto più realistica possibile, dati i macchinari del modello e le osservazioni disponibili", afferma Lauderdale.

Il modello realistico ha catturato dettagli più fini, con una risoluzione inferiore a 20 chilometri per pixel, rispetto ad altri modelli che hanno una risoluzione più limitata. Il team ha combinato la simulazione del comportamento fisico dell'oceano con il modello Darwin, una simulazione di comunità di microbi come il fitoplancton e di come crescono ed evolvono con le condizioni oceaniche.

Il team ha eseguito la simulazione combinata del vortice del Pacifico settentrionale per oltre un decennio e ha creato animazioni per visualizzare il modello delle correnti e dei nutrienti che trasportavano, dentro e intorno al vortice. Ne sono emersi piccoli vortici che correvano lungo i bordi dell'enorme vortice e sembravano essere ricchi di sostanze nutritive.

"Stavamo captando piccoli movimenti vorticosi, fondamentalmente come i sistemi meteorologici nell'oceano", afferma Lauderdale. "Questi vortici trasportavano pacchetti di acque ad alto contenuto nutritivo, dall'equatore, a nord, al centro del vortice e verso il basso lungo i lati delle ciotole. Ci siamo chiesti se questi trasferimenti di vortici costituissero un importante meccanismo di rilascio."

Sorprendentemente, i nutrienti si spostano prima in profondità, lontano dalla luce solare, prima di essere riportati verso l'alto dove vive il fitoplancton. Il team ha scoperto che i vortici oceanici potrebbero fornire fino al 50% dei nutrienti nei vortici subtropicali.

"Questo è molto significativo", dice Gupta. "Il processo verticale che ricicla i nutrienti dalla neve marina è solo una metà della storia. L'altra metà è l'effetto di ricostituzione di questi vortici. Poiché i vortici subtropicali contribuiscono in modo significativo agli oceani del mondo, riteniamo che questo relè di nutrienti sia di importanza globale". + Esplora ulteriormente

Come il fitoplancton sopravvive nei vortici oceanici con scarse riserve di nutrienti