Curba Martin

dreapta|miniatura|

Curba Martin este o lege de putere utilizată de oceanografi pentru a descrie exportul de carbon organic sub formă de particule (POC) către adâncurile oceanului. Curba este controlată de doi parametri: o adâncime de referință în coloana de apă și un parametru de remineralizare, care reprezintă o măsură a ratei la care se atenuează fluxul vertical de POC. Curba poartă numele oceanografului american John Martin.

Curba Martin este utilizată pe scară largă în studiul ciclului carbonului oceanic și a contribuit la înțelegerea rolului oceanului în reglarea concentrației de CO2 din atmosferă.

Context miniatura|

Dinamica bazinului de (POC) din ocean este esențială pentru . POC reprezintă legătura dintre de la suprafață, și . Rata la care POC este degradat în poate influența concentrația de CO2 din atmosferă.

(BCP) este un mecanism crucial prin care CO2 atmosferic este absorbit de ocean și transportat în interiorul acestuia. Fără BCP, concentrația atmosferică de CO2 din perioada preindustrială (~280 ppm) ar fi crescut până la aproximativ 460 ppm.

În prezent, fluxul de (POC) din stratul de suprafață al oceanului către interiorul acestuia este estimat la aproximativ 4–13 Pg-C an−1.

Pentru a evalua eficiența BCP, este necesară cuantificarea atenuării verticale a fluxului de POC în funcție de adâncime. Cu cât POC este transportat mai adânc, cu atât CO2 rămâne izolat de atmosferă pentru perioade mai lungi. Astfel, o creștere a eficienței BCP are potențialul de a spori în ocean, ceea ce ar genera un feedback negativ asupra încălzirii globale.

Atenuarea verticală a fluxului de POC a fost investigată de numeroși cercetători încă din anii 1980.

În 1987, Martin și colaboratorii au propus următoarea funcție de tip lege de putere pentru a descrie atenuarea fluxului de POC:

unde z reprezintă adâncimea apei (m), iar Fz și F100 sunt fluxurile de POC la adâncimile z metri și, respectiv, 100 m.

Deși au fost propuse și validate și alte funcții, de exemplu o , această relație de tip — cunoscută în mod obișnuit sub numele de „curba Martin” — a fost utilizată foarte frecvent în studiile asupra pompei biologice de carbon.

Exponentul b din această ecuație este adesea utilizat ca indicator al eficienței BCP: cu cât valoarea lui b este mai mare, cu atât rata de atenuare verticală a fluxului de POC este mai mare, iar eficiența pompei biologice de carbon este mai mică.Berelson, W. M. (2001). "The flux of particulate organic carbon into the ocean interior: a comparison of four U.S. JGOFS regional studies". Oceanography, 14: 59–64.

Simulările numerice au arătat, de asemenea, că variațiile valorii exponentului b pot modifica semnificativ concentrația de CO2 din atmosferă.

Ulterior, alți cercetători au derivat profiluri alternative de pornind de la ipoteze privind degradabilitatea particulelor și viteza lor de scufundare.

Cu toate acestea, curba Martin a devenit un model omniprezent. Ea presupune că materia organică care se scufundă mai lent și/sau este mai labilă se degradează preferențial în apropierea suprafeței oceanului. Ca rezultat, cu adâncimea cresc atât viteza medie de scufundare a particulelor rămase, cât și timpul caracteristic de remineralizare.

Curba Martin poate fi exprimată într-o formă mai generală:

unde fp(z) reprezintă fracțiunea fluxului de materie organică particulată provenită din stratul productiv de la suprafață care traversează un orizont de adâncime z (m), Cp este un coeficient de scalare, iar b este un exponent adimensional care controlează modul în care fluxul scade odată cu adâncimea.

Ecuația este adesea normalizată la o adâncime de referință z0, însă acest parametru poate fi inclus direct în coeficientul Cp.

Rata de atenuare verticală Rata de atenuare verticală a fluxului de POC depinde în mare măsură de viteza de scufundare a particulelor și de rata de descompunere a POC în coloana de apă. Deoarece POC este relativ labil și are o flotabilitate negativă redusă, acesta trebuie adesea agregat cu materiale mai dense, denumite „”, pentru a se scufunda gravitațional în ocean. Materialele care pot servi drept balast includ opalul biogenic (denumit în continuare „opal”), CaCO3 și aluminosilicații.

În 1993, Ittekkot a emis ipoteza că scăderea drastică a concentrației de CO2 atmosferic de la aproximativ 280 la aproximativ 200 , care a avut loc în timpul ultimului maxim glaciar, a fost cauzată de o creștere a aportului de praf eolian (balast de aluminosilicați) în ocean, ceea ce ar fi întărit pompa biologică de carbon (BCP).

În 2002, Klaas și Archer, precum și François și colab., care au compilat și analizat date globale provenite din , au sugerat că CaCO3, care are cea mai mare densitate dintre posibilele minerale de balast, este la nivel global cel mai important și eficient facilitator al transportului vertical al POC. Aceștia au arătat că eficiența transferului (raportul dintre fluxul de POC din adâncul oceanului și cel de la baza de suprafață) este mai mare în zonele subtropicale și tropicale, unde CaCO3 constituie o componentă majoră a .

Vitezele de scufundare raportate pentru particulele bogate în CaCO3 sunt ridicate. Simulările numerice care iau în considerare aceste observații indică faptul că acidificarea viitoare a oceanelor ar putea reduce eficiența BCP prin diminuarea calcificării oceanice.

În regiunile subtropicale și tropicale, raportul de export al POC (raportul dintre fluxul de POC dintr-un strat superior — de exemplu la 100 m, la baza sau a — și ) este relativ scăzut. Acest lucru se datorează temperaturilor ridicate din stratul superior al oceanului, care cresc ratele de descompunere ale POC.

Ca urmare, eficiența transferului poate fi mai mare, iar corelația dintre POC și CaCO3 mai puternică în aceste regiuni de latitudine joasă. POC labil, mai proaspăt și mai ușor degradabil de către microbi, se descompune în straturile superioare, în timp ce POC relativ refractar este transportat către interiorul oceanului.

Pe baza observațiilor care au arătat o creștere semnificativă a fluxurilor de POC în regiunile de latitudine înaltă în timpul înfloririlor de diatomee, Honda și Watanabe au propus în 2010 că opalul, mai degrabă decât CaCO3, ar putea fi mineralul de balast dominant pentru transportul eficient al POC în regiunile subarctice.

În 2016, Weber și colab. au raportat o corelație negativă puternică între eficiența transferului și fracțiunea de din plancton, precum și o eficiență mai mare a transferului în regiunile de latitudine înaltă, unde predomină fitoplanctonul de dimensiuni mari, cum ar fi diatomeele.

Factorii principali care controlează rata de descompunere biologică a POC care se scufundă în coloana de apă sunt temperatura apei și concentrația de . Cu cât temperatura și concentrația de oxigen sunt mai scăzute, cu atât respirația biologică este mai lentă și, în consecință, rata de descompunere a POC este mai mică.

În ciuda numeroaselor studii asupra BCP, factorii care controlează atenuarea verticală a fluxului de POC rămân încă subiect de dezbatere. Marsay și colab. au sugerat că o singură formulă universală, precum curba Martin, ar putea să nu descrie adecvat toate regiunile oceanice și că ar putea fi necesare parametrizări regionale.

Incertitudinea în pompa biologică a oceanului reglează nivelurile de CO2 atmosferic și clima prin transferul produs la suprafață de către fitoplancton în interiorul oceanului prin intermediul . În acest proces, carbonul organic este consumat și respirat de .

Acest transport vertical este descris de obicei prin relații matematice dependente de adâncime care reprezintă degradarea particulelor care se scufundă. Incertitudinea privind intensitatea pompei biologice poate proveni fie din valorile parametrilor utilizați în modele (incertitudine parametrică), fie din structura ecuațiilor utilizate pentru descrierea exportului de materie organică (incertitudine structurală).

În 2021, Lauderdale a evaluat incertitudinea structurală folosind un model biogeochimic oceanic în care șase profiluri alternative de remineralizare au fost aplicate sistematic unei curbe de referință de tip lege de putere. Rezultatele au arătat că incertitudinea structurală contribuie semnificativ la incertitudinea totală a pompei biologice, reprezentând aproximativ o treime din variabilitatea estimată a pCO2 atmosferic.New Research Reveals Uncertainty in How Much Carbon the Ocean Absorbs Over Time – Climate Projections Could Be Off SciTechDaily, 8 May 2021.

Carbonul și nutrienții sunt consumați de fitoplancton în timpul din stratul de suprafață al oceanului, ceea ce generează un flux descendent de materie organică. Această „zăpadă marină” este transformată, respirată și degradată de organismele heterotrofe din apele mai adânci, eliberând nutrienții și carbonul sub formă de .

Turbulențele oceanice și amestecul vertical readuc apele bogate în nutrienți din adâncuri în stratul de suprafață iluminat, menținând astfel productivitatea globală a oceanelor. Prin absorbția, transportul vertical și remineralizarea materiei organice, pompa biologică menține un gradient vertical al nutrienților și stochează carbon în adâncurile oceanului pentru perioade de ordinul secolelor sau mileniilor.

Complexitatea proceselor biologice, chimice și fizice implicate face ca pompa biologică să fie dificil de descris printr-un model mecanic simplu. Din acest motiv, soarta carbonului organic exportat este de obicei descrisă prin profiluri dependente de adâncime care estimează degradarea particulelor în timpul scufundării.

Note

Categorie:Carbon Categorie:Oceanografie