Martin kurva
Ytkoncentrationer av partikelformigt organiskt material (POM) som avbildats av satellit 2011
Martin -kurvan är en kraftlag som används av oceanografer för att beskriva exporten till havsbotten av partikelformigt organiskt kol ( POC). Kurvan styrs med två parametrar: referensdjupet i vattenpelaren och en remineraliseringsparameter som är ett mått på den hastighet med vilken det vertikala flödet av POC dämpas. Den är uppkallad efter den amerikanske oceanografen John Martin .
Bakgrund
| Del av en serie om |
| kolcykeln |
|---|
 |
Dynamiken i poolen med partikelformigt organiskt kol (POC) i havet är central för den marina kolcykeln . POC är länken mellan primärproduktion på ytan , djuphavet och marina sediment . Den hastighet med vilken POC bryts ned i det mörka havet kan påverka atmosfärens CO 2 -koncentration.
Den biologiska kolpumpen (BCP) är en avgörande mekanism genom vilken atmosfärisk CO 2 tas upp av havet och transporteras till havets inre. Utan BCP skulle den förindustriella atmosfäriska CO 2 -koncentrationen (~280 ppm) ha stigit till ~460 ppm. För närvarande av partikelformigt organiskt kol (POC) från havets ytskikt till havets inre uppskattats till 4–13 Pg-C år −1 . För att utvärdera effektiviteten hos BCP är det nödvändigt att kvantifiera den vertikala dämpningen av POC-flödet med djup eftersom ju djupare POC transporteras, desto längre kommer CO 2 att isoleras från atmosfären. En ökning av effektiviteten hos BCP har således potentialen att orsaka en ökning av havets kolbindning av atmosfärisk CO 2 som skulle resultera i en negativ återkoppling på den globala uppvärmningen. Olika forskare har undersökt den vertikala dämpningen av POC-flödet sedan 1980-talet.
År 1987, Martin et al . föreslog följande kraftlagsfunktion för att beskriva POC-flödesdämpningen:
- 1)
där z är vattendjup (m), och Fz och F 100 är POC-flödena vid djup av z meter respektive 100 meter . Även om andra funktioner, såsom en exponentiell kurva , också har föreslagits och validerats, har denna kraftlagsfunktion , allmänt känd som "Martin-kurvan", använts mycket ofta i diskussioner om BCP. Exponenten , desto högre vertikal dämpningshastighet för POC-flödet och desto lägre BCP-effektivitet. Dessutom har numeriska simuleringar visat att en förändring av värdet på b skulle väsentligt förändra den atmosfäriska CO 2 -koncentrationen.
Därefter har andra forskare härlett alternativa remineraliseringsprofiler från antaganden om partikelnedbrytbarhet och sjunkhastighet. Martin-kurvan har dock blivit allestädes närvarande eftersom modellen som antar långsammare sjunkande och/eller labilt organiskt material företrädesvis utarmas nära ytan, vilket orsakar ökande sjunkhastighet och/eller remineraliseringstidsskala med djupet.
Martin-kurvan kan uttryckas på ett lite mer generellt sätt som:
där f p ( z ) är fraktionen av flödet av partikelformigt organiskt material från ett produktivt lager nära ytan som sjunker genom djuphorisonten z [m], C p [ m b ] är en skalningskoefficient och b är en icke-dimensionell exponent kontrollera hur f p minskar med djupet. Ekvationen normaliseras ofta till ett referensdjup z o men denna parameter kan lätt absorberas i Cp .
Vertikal dämpningshastighet
Den vertikala dämpningshastigheten för POC-flödet är mycket beroende av sjunkhastigheten och nedbrytningshastigheten för POC i vattenpelaren. Eftersom POC är labilt och har liten negativ flytförmåga, måste det aggregeras med relativt tunga material som kallas ballast för att sedimentera gravitationsmässigt i havet. Material som kan fungera som ballast inkluderar biogen opal (nedan kallad " opal "), CaCO 3 och aluminosilikater . År 1993 antog Ittekkot att den drastiska minskningen från ~280 till ~200 ppm av atmosfärisk CO 2 som inträffade under det sista glaciala maximumet orsakades av en ökning av tillförseln av eoliskt damm (aluminatsilikatballast) till havet, vilket stärkte BCP . År 2002, Klaas och Archer, samt Francois et al. som sammanställde och analyserade globala sedimentfällningsdata , föreslog att CaCO 3 , som har den största densiteten bland möjliga barlastmineraler, globalt sett är den viktigaste och mest effektiva facilitatorn för vertikal POC-transport, eftersom överföringseffektiviteten (förhållandet mellan POC-flödet i djuphavet till det på botten av det blandade ytskiktet ) är högre i subtropiska och tropiska områden där CaCO 3 är en viktig komponent i marin snö .
De rapporterade sjunkhastigheterna för CaCO 3 -rika partiklar är höga. Numeriska simuleringar som tar hänsyn till dessa fynd har visat att framtida havsförsurning kommer att minska effektiviteten hos BCP genom att minska havsförkalkningen. Dessutom är POC-exportkvoten (förhållandet mellan POC-flödet från ett övre skikt (ett fast djup som 100 meter, eller den eufotiska zonen eller det blandade skiktet ) till netto primärproduktivitet ) i subtropiska och tropiska områden lågt på grund av höga temperaturer i det övre lagret ökar POC-nedbrytningshastigheten. Resultatet kan bli en högre överföringseffektivitet och en stark positiv korrelation mellan POC och CaCO 3 i dessa områden med låg latitud: labil POC, som är fräschare och lättare för mikrober att bryta ner, sönderdelas i det övre lagret och relativt eldfast POC är transporteras till havets inre i områden med låg latitud.
På grundval av observationer som avslöjade en stor ökning av POC-flöden i områden på hög latitud under kiselalgerblomningar och på det faktum att kiselalger är mycket större än kokolitoforer, föreslog Honda och Watanabe 2010 att opal , snarare än CaCO 3 , är avgörande eftersom ballast för effektiv vertikal transport av POC i subarktiska områden. Weber et al. rapporterade 2016 ett starkt negativt samband mellan överföringseffektivitet och pikoplanktonfraktionen av plankton samt högre överföringseffektivitet i områden med hög latitud, där stora växtplankton som kiselalger dominerar. De beräknade också att andelen vertikalt transporterad CO 2 som har hållits fast i havets inre i minst 100 år är högre i hög latitud (polära och subpolära) regioner än i låg latitud regioner.
Däremot genomförde Bach et al. 2019 ett mesokosmosexperiment för att studera hur planktonsamhällets struktur påverkade sjunkhastigheter och rapporterade att under mer produktiva perioder var sjunkhastigheten för aggregerade partiklar inte nödvändigtvis högre, eftersom de aggregerade partiklarna som producerades då var mycket fluffiga ; snarare var sedimenteringshastigheten högre när växtplanktonet dominerades av små celler. År 2012, Henson et al. återbesökte de globala sedimentfällningsdata och rapporterade att POC-flödet är negativt korrelerat med opalexportflödet och okorrelerat med CaCO 3 -exportflödet.
Nyckelfaktorer som påverkar hastigheten för biologisk nedbrytning av sjunkande POC i vattenpelaren är vattentemperaturen och koncentrationen av upplöst syre (DO): ju lägre vattentemperatur och DO-koncentration är, desto långsammare blir den biologiska andningshastigheten och följaktligen POC-flödet nedbrytningshastighet. Till exempel, 2015 Marsay med andra analyserade POC-flödesdata från neutralt flytande sedimentfällor i de övre 500 m av vattenpelaren och fann en signifikant positiv korrelation mellan exponenten b i ekvation (1) ovan och vattentemperaturen (dvs. POC) flödet dämpades snabbare när vattnet var varmare). Dessutom har Bach et al. hittade POC-nedbrytningshastigheten är hög (låg) när kiselalger och Synechococcus (skadliga alger) är de dominerande växtplanktonet på grund av ökat (minskat) djurplanktonförekomst och den därav följande ökningen (minskningen) av betestrycket .
Med hjälp av radiokemiska observationer ( 234Th-baserade POC-flödesobservationer), Pavia et al. fann 2019 att exponenten b för Martin-kurvan var betydligt mindre i ekvatorialzonen i östra Stilla havet med låg syrehalt ( hypoxi ) än i andra områden; det vill säga vertikal dämpning av POC-flödet var mindre i det hypoxiska området. De påpekade att ett mer hypoxiskt hav i framtiden skulle leda till en lägre dämpning av POC-flödet och därmed ökad BCP-effektivitet och därmed kunna bli en negativ feedback på den globala uppvärmningen. McDonnell et al. rapporterade 2015 att vertikal transport av POC är effektivare i Antarktis, där sjunkhastigheten är högre och den biologiska andningshastigheten är lägre än i den subtropiska Atlanten. Henson et al. rapporterade också under 2019 en hög exportkvot under den tidiga blomningsperioden, när primärproduktiviteten är låg, och en låg exportkvot under den sena blomningsperioden, när primärproduktiviteten är hög. De tillskrev den låga exportkvoten under den sena blomningen till betestrycket från mikrozooplankton och bakterier.
Trots dessa många undersökningar av BCP är faktorerna som styr den vertikala dämpningen av POC-flödet fortfarande under debatt. Observationer i subarktiska områden har visat att överföringseffektiviteten mellan djup på 1000 och 2000 m är relativt låg och att den mellan botten av den eufotiska zonen och ett djup på 1000 m är relativt hög. Marsay et al. föreslog därför 2015 att Martin-kurvan inte korrekt uttrycker den vertikala dämpningen av POC-flödet i alla regioner och att en annan ekvation istället bör utvecklas för varje region. Gloege et al. diskuterade 2017 parametrisering av den vertikala dämpningen av POC-flödet, och rapporterade att vertikal dämpning av POC-flödet i skymningszonen ( från basen av den eufotiska zonen till 1000 m) kan parametriseras väl inte bara av en effektlagsmodell (Martin) kurva) men också av en exponentiell modell och en ballastmodell.
Den exponentiella modellen tenderar dock att underskatta POC-flödet i midnattszonen ( djup större än 1000 meter). Cael och Bisson rapporterade 2018 att den exponentiella modellen (power law-modellen) tenderar att underskatta POC-flödet i det övre lagret och överskatta det i det djupa lagret. Båda modellernas förmåga att beskriva POC-flöden var dock statistiskt jämförbara när de applicerades på POC-flödesdataset från östra Stilla havet som användes för att föreslå "Martin-kurvan". I en långtidsstudie i nordöstra Stilla havet, Smith et al. observerade under 2018 en plötslig ökning av POC-flödet åtföljd av en ovanligt hög överföringseffektivitet; de har föreslagit att eftersom Martin-kurvan inte kan uttrycka en sådan plötslig ökning, kan den ibland underskatta BCP-styrkan. Dessutom, i motsats till tidigare fynd, har vissa studier rapporterat en signifikant högre överföringseffektivitet, särskilt till djuphavet, i subtropiska regioner än i subarktiska regioner. Detta mönster kan tillskrivas små temperatur- och DO-koncentrationsskillnader i djuphavet mellan hög latitud och låg latitud regioner, samt till en högre sjunkhastighet i subtropiska regioner, där CaCO 3 är en viktig komponent i djuphavsmarin snö. Dessutom är det också möjligt att POC är mer eldfast i områden med låg latitud än i områden med hög latitud.
Osäkerhet i den biologiska pumpen
Havets biologiska pump reglerar atmosfäriska koldioxidnivåer och klimat genom att överföra organiskt kol som produceras vid ytan av växtplankton till havets inre via marin snö , där det organiska kolet konsumeras och andas av marina mikroorganismer . Denna yta till djuptransport beskrivs vanligtvis av ett kraftlagsförhållande mellan sjunkande partikelkoncentration och djup. Osäkerhet i biologisk pumpstyrka kan relateras till olika variabelvärden ( parametrisk osäkerhet) eller de underliggande ekvationerna ( strukturell osäkerhet) som beskriver export av organiskt material. År 2021 utvärderade Lauderdale strukturell osäkerhet med hjälp av en havsbiogeokemimodell genom att systematiskt ersätta sex alternativa remineraliseringsprofiler som passar en referenskraftlagskurva. Strukturell osäkerhet ger ett betydande bidrag, ungefär en tredjedel i atmosfäriska pCO 2 -termer, till den totala osäkerheten för den biologiska pumpen, vilket understryker vikten av att förbättra biologisk pumpkarakterisering från observationer och dess mekanistiska inkludering i klimatmodeller.
Kol och näringsämnen förbrukas av växtplankton i ythav under primärproduktion , vilket leder till ett nedåtgående flöde av organiskt material. Denna "marinsnö" omvandlas, andas och bryts ned av heterotrofa organismer på djupare vatten, vilket slutligen släpper tillbaka dessa beståndsdelar till löst oorganisk form . Oceanisk vältning och turbulent blandning återför resursrika djupa vatten till det solbelysta ytskiktet, vilket upprätthåller den globala havsproduktiviteten. Den biologiska pumpen upprätthåller denna vertikala gradient i näringsämnen genom upptag, vertikal transport och remineralisering av organiskt material, lagrar kol i djuphavet som är isolerat från atmosfären på hundraåriga och tusenåriga tidsskalor, vilket sänker atmosfärens CO 2 -nivåer med flera hundra mikroatmosfärer . Den biologiska pumpen motstår enkel mekanistisk karakterisering på grund av den komplexa uppsättningen av biologiska, kemiska och fysikaliska processer som är involverade, så ödet för exporterat organiskt kol beskrivs vanligtvis med en djupberoende profil för att utvärdera nedbrytningen av sjunkande partiklar.