رفتن به محتوای اصلی
کوهستان
بررسی عمیق کوهستانجذب کربن اقیانوسیکشف علمی· 5 دقیقه مطالعه· در علم

فشار اعماق دریا مواد مغذی «برف دریایی» را استخراج می‌کند و مدل‌های چرخه جهانی کربن را بازنویسی می‌کند

محققان کشف کرده‌اند که فشار هیدرواستاتیک شدید در اعماق اقیانوس مانند یک آبمیوه‌گیری مکانیکی بر روی مواد آلی در حال سقوط عمل می‌کند، مواد مغذی به دام افتاده را آزاد می‌سازد و درک ما از جداسازی کربن دریایی را به طور اساسی تغییر می‌دهد.

به قلم ساناز امامی

به‌طور خلاصه

  • فشار شدید اعماق دریا به صورت فیزیکی برف دریایی در حال سقوط را فشرده می‌کند و مانند یک آبمیوه‌گیری مکانیکی عمل می‌کند.
  • این فرآیند کربن آلی محلول و ریزمغذی‌ها را قبل از رسیدن ذرات به کف دریا، از آن‌ها خارج می‌کند.
  • این کشف فرضیه‌ای را که تجزیه برف دریایی کاملاً ناشی از پوسیدگی باکتریایی است، باطل می‌کند.

برای دهه‌ها، زیست‌شناسان دریایی «پمپ بیولوژیکی» اقیانوس را به عنوان مکانیزمی نسبتاً ساده درک کرده بودند: فیتوپلانکتون‌ها در سطح روشن شکوفا می‌شوند، می‌میرند و به آرامی به صورت بارشی پیوسته از بقایای آلی که به عنوان «برف دریایی» شناخته می‌شود، به پایین حرکت می‌کنند. تصور می‌شد این بارش ملایم و مداوم، راه اصلی جداسازی کربن توسط اقیانوس است و آن را برای قرن‌ها در اعماق اقیانوس حبس می‌کند. با این حال، یک تحلیل جدید و پیشگامانه نشان می‌دهد که این فرود به هیچ وجه یک سفر منفعل نیست.[4]

یک تیم چندمؤسسه‌ای از اقیانوس‌شناسان کشف کرده‌اند که فشار هیدرواستاتیک شدید اعماق اقیانوس نیروی فیزیکی عمیقی بر این ذرات در حال غرق شدن وارد می‌کند. به جای اینکه برف دریایی صرفاً به کف اقیانوس سقوط کند تا توسط موجودات کف‌زی مصرف شود یا در رسوبات دفن گردد، وزن خردکننده ستون آب بالای آن، فعالانه آن را «آبگیری» می‌کند.

پیش از این، اجماع علمی بر این بود که تجزیه برف دریایی تقریباً به طور کامل بیولوژیکی است. تصور می‌شد باکتری‌ها و زئوپلانکتون‌ها تنها عوامل مسئول حل کردن این مواد آلی در حین غرق شدن باشند. مدل‌های چرخه جهانی کربن بر این فرض بنا شده بودند که تنفس میکروبی تعیین می‌کند چه مقدار کربن به کف اقیانوس می‌رسد و چه مقدار به ستون آب بازیافت می‌شود.[1]

چگونه فشار هیدرواستاتیک شدید، پمپ بیولوژیکی را با فشردن فیزیکی مواد مغذی از مواد آلی در حال غرق شدن تغییر می‌دهد.

یافته‌های جدید این انحصار بیولوژیکی را زیر و رو می‌کند. همانطور که توده‌های برف دریایی—که بسیار متخلخل و از نظر ساختاری شکننده هستند—از مرز ۲۰۰۰ متری پایین‌تر می‌روند، فشار هیدرواستاتیک به ازای هر ده متر عمق، یک اتمسفر افزایش می‌یابد. زمانی که این ذرات به ۴۰۰۰ متر می‌رسند، تحت فشاری قرار می‌گیرند که بیش از ۴۰۰ برابر فشار سطح است.

تحت این تنش فیزیکی عظیم، ساختار ماتریسی برف دریایی شروع به فشرده شدن و شکستن می‌کند. این فشردگی مکانیکی، کربن آلی محلول (DOC)، لیپیدهای مایع و ریزمغذی‌های حیاتی مانند آهن و سیلیس را که به دام افتاده‌اند، به بیرون می‌راند. محققان این فرآیند را به یک فرنچ‌پرس یا آبمیوه‌گیری مکانیکی تشبیه می‌کنند که مواد مغذی را به صورت فیزیکی به آب‌های اطراف منطقه باتی‌پلاژیک تزریق می‌کند.

پیامدهای این کشف برای بودجه جهانی کربن حیرت‌آور است. اگر درصد قابل توجهی از کربن محبوس در برف دریایی به جای ته‌نشین شدن در کف اقیانوس، در ستون آب میانی تا عمیق به بیرون فشرده شود، جدول زمانی جداسازی کربن به طور چشمگیری تغییر می‌کند. کربنی که در عمق ۳۰۰۰ متری آزاد می‌شود ممکن است برای قرن‌ها در جریان‌های عمیق اقیانوسی گردش کند، اما همانطور که قبلاً مدل‌سازی شده بود، به طور دائمی در رسوبات زمین‌شناسی قفل نمی‌شود.[3]

داده‌ها اوج قابل توجهی در ترشح مواد مغذی را نشان می‌دهند، زیرا برف دریایی به فشارهای شدید منطقه باتی‌پلاژیک می‌رسد.

ثبت این پدیده نیازمند جهشی بزرگ در فناوری مشاهده اعماق دریا بود. در گذشته، آوردن نمونه‌های برف دریایی به سطح برای مطالعه، ساختارهای ظریف آن‌ها را از بین می‌برد و فشار آن‌ها را کاهش می‌داد و اثر آبگیری را پنهان می‌کرد. این پیشرفت از طریق وسایل نقلیه زیرآبی کنترل از راه دور (ROV) تخصصی مجهز به محفظه‌های نمونه‌برداری فوق‌فشار به دست آمد.[2]

این محفظه‌های پیشرفته به دانشمندان اجازه دادند تا توده‌های آلی در حال غرق شدن را در عمق بگیرند و آن‌ها را در فشار بومی خود نگه دارند در حالی که به کشتی‌های تحقیقاتی آورده می‌شوند. پس از ورود به آزمایشگاه، محققان توانستند فشار را دستکاری کرده و خروج فیزیکی مواد مغذی را در زمان واقعی مشاهده کنند، و فرضیه‌ای را که قبلاً تنها یک فرضیه حاشیه‌ای در بیوژئوشیمی بود، تأیید کنند.[2]

مدل‌سازان اقلیمی در حال حاضر برای گنجاندن این یافته‌ها در شبیه‌سازی‌های خود در رقابت هستند. برآوردهای اولیه نشان می‌دهد که این آزادسازی مواد مغذی ناشی از فشار می‌تواند ۱۵ تا ۲۰ درصد تغییر در نحوه توزیع کربن در داخل اقیانوس ایجاد کند. این امر نیازمند ارزیابی مجدد حدود ۲.۵ گیگاتن کربنی است که تخمین زده می‌شود اقیانوس سالانه جداسازی می‌کند.[1][3]

محفظه‌های فوق‌فشار تخصصی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا نمونه‌های اعماق دریا را بدون از بین بردن ساختارهای ظریف آن‌ها مطالعه کنند.

فراتر از چرخه کربن، این کشف یک راز بیولوژیکی دیرینه را حل می‌کند. جوامع میکروبی اعماق دریا به طور مداوم فعالیت متابولیکی بالاتری نسبت به آنچه با سطوح مواد مغذی محیط قابل توضیح بود، نشان داده‌اند. «آبگیری» برف دریایی، نقاط اوج مواد مغذی موضعی گمشده را فراهم می‌کند و واحه‌های میکروسکوپی از غذای پرانرژی ایجاد می‌کند که حیات اعماق اقیانوس را حفظ می‌کند.

این یافته‌ها همچنین سایه‌ای طولانی بر طرح‌های مهندسی زمین پیشنهادی می‌اندازد. چندین استراتژی مداخله اقلیمی پیشنهاد کرده‌اند که اقیانوس را به طور مصنوعی با آهن بارور کنند تا شکوفایی عظیم فیتوپلانکتون‌ها را تحریک کنند، با این فرض که برف دریایی حاصله کربن را به طور دائمی در کف دریا دفن خواهد کرد. اگر اعماق اقیانوس مانند یک آبمیوه‌گیری عمل کند، بخش زیادی از آن کربن می‌تواند بسیار زودتر از آنچه مدل‌های مهندسی‌شده پیش‌بینی می‌کنند، به ستون آب بازگردد.[4]

در سطح میکروسکوپی، ماتریس ساختاری برف دریایی تحت فشار شکسته می‌شود و حفره‌های به دام افتاده کربن مایع را آزاد می‌کند.

مرحله بعدی تحقیقات شامل نقشه‌برداری از این پدیده در حوضه‌های مختلف اقیانوسی خواهد بود. ترکیب فیزیکی برف دریایی بسته به اکوسیستم سطح به شدت متفاوت است—برف غنی از دیاتوم در اقیانوس جنوبی ممکن است متفاوت از برف غنی از کربنات کلسیم مناطق گرمسیری فشرده شود. درک این تغییرات منطقه‌ای برای اصلاح نسل بعدی مدل‌های اقلیمی حیاتی خواهد بود.[2]

در نهایت، این کشف تصویری از یک اقیانوس عمیق بسیار پویاتر و فعال‌تر از نظر مکانیکی ترسیم می‌کند. اعماق صرفاً یک ظرف منفعل برای بقایای دنیای سطح نیست، بلکه یک موتور پردازش با فشار بالا است که فعالانه شیمی سیاره را تغییر می‌دهد.[1][4]

اصطلاحات کلیدی

پمپ بیولوژیکی
جداسازی کربن توسط اقیانوس به صورت بیولوژیکی از جو به سمت داخل اقیانوس و رسوبات کف دریا.
فشار هیدرواستاتیک
فشاری که توسط یک سیال در حال تعادل در یک نقطه معین در داخل سیال، به دلیل نیروی گرانش، اعمال می‌شود. در اقیانوس، این فشار به طور چشمگیری با عمق افزایش می‌یابد.
کربن آلی محلول (DOC)
یک طبقه‌بندی گسترده برای مولکول‌های آلی محلول در آب، که یکی از بزرگترین مخازن مواد آلی روی زمین را نشان می‌دهد.
منطقه باتی‌پلاژیک
لایه‌ای از منطقه اقیانوسی که زیر منطقه مزوپلاژیک و بالای منطقه ابیسوپلاژیک قرار دارد، در اعماقی که عموماً بین ۱۰۰۰ تا ۴۰۰۰ متر است.

پرسش‌های متداول

«برف دریایی» دقیقاً چیست؟

برف دریایی بارشی پیوسته از بقایای عمدتاً آلی است که از لایه‌های بالایی ستون آب به پایین می‌ریزد. این عمدتاً از فیتوپلانکتون‌های مرده، مدفوع زئوپلانکتون‌ها و سایر بقایای بیولوژیکی تشکیل شده است.

چرا فشار باعث خروج مواد مغذی می‌شود؟

ذرات برف دریایی بسیار متخلخل و شکننده هستند. هنگامی که آن‌ها به اعماق اقیانوس فرو می‌روند، وزن عظیم آب بالای آن‌ها ساختارشان را به صورت مکانیکی فشرده می‌کند و مایعات به دام افتاده و کربن محلول را مانند اسفنجی که فشرده می‌شود، به بیرون می‌راند.

آیا این بدان معناست که اقیانوس کربن کمتری جذب می‌کند؟

لزوماً کمتر نیست، اما محل ذخیره کربن را تغییر می‌دهد. به جای اینکه تمام کربن برای دفن زمین‌شناسی دائمی به کف دریا برسد، بخش قابل توجهی از آن در جریان‌های عمیق اقیانوسی آزاد می‌شود، جایی که ممکن است در طول قرن‌ها دوباره به سطح بازگردد.

بررسی عمیق دیدگاه‌ها

اقیانوس‌شناسان و بیوژئوشیمی‌دانان

تمرکز بر مکانیک فیزیکی پمپ بیولوژیکی و اینکه چگونه این کشف نرخ‌های متابولیک بالای جوامع میکروبی اعماق دریا را توضیح می‌دهد.

برای زیست‌شناسان دریایی و اقیانوس‌شناسان، این کشف یک قطعه گمشده پازل است که داده‌های ناهنجار دهه‌های گذشته را توضیح می‌دهد. جوامع میکروبی اعماق دریا به طور مداوم نرخ‌های متابولیکی را نشان داده‌اند که با توجه به سطوح مواد مغذی اندازه‌گیری شده در آب اطراف، غیرممکن به نظر می‌رسید. با اثبات اینکه برف دریایی فعالانه توسط فشار «آبگیری» می‌شود، محققان اکنون درک می‌کنند که این میکروب‌ها از ستون‌های موضعی و پرانرژی لیپیدهای خارج شده و کربن محلول تغذیه می‌کنند. این دیدگاه بر نبوغ مکانیکی طراحی اقیانوس تأکید دارد، جایی که نیروهای فیزیکی و نیازهای بیولوژیکی به طور پیچیده‌ای به هم مرتبط هستند.

مدل‌سازان اقلیمی

تأکید بر نیاز فوری به محاسبه مجدد بودجه‌های جهانی کربن، زیرا کربن آزاد شده در ستون آب میانی متفاوت از کربن دفن شده در رسوبات گردش می‌کند.

دانشمندان اقلیمی این کشف را از دریچه بودجه جهانی کربن مشاهده می‌کنند. اگر بخش عظیمی از کربن در حال غرق شدن در عمق ۳۰۰۰ متری به ستون آب فشرده شود، به جای اینکه در رسوبات کف‌زی ته‌نشین شود، «زمان ماندگاری» آن کربن تغییر می‌کند. کربن موجود در جریان‌های عمیق اقیانوسی ممکن است قرن‌ها طول بکشد تا به سطح بازگردد، اما به روشی که دفن زمین‌شناسی به دست می‌آورد، به طور دائمی از سیستم اقلیمی حذف نمی‌شود. مدل‌سازان اکنون در تلاشند تا این متغیر فشار را در شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای خود ادغام کنند تا مشخص شود که آیا ظرفیت اقیانوس برای تعدیل انتشار گازهای گلخانه‌ای انسانی شکننده‌تر از آن چیزی است که قبلاً تصور می‌شد یا خیر.

منتقدان مهندسی زمین

استدلال می‌کنند که این پیچیدگی تازه کشف شده ثابت می‌کند که طرح‌های بارور کردن مصنوعی اقیانوس بر اساس مدل‌های بیش از حد ساده‌انگارانه جداسازی کربن بنا شده‌اند.

برای محققان و تحلیلگران سیاستی که نسبت به مداخله اقلیمی محتاط هستند، این یافته یک هشدار جدی در برابر غرور است. طرح‌های پیشنهادی برای بارور کردن اقیانوس با آهن، با این فرض عمل می‌کنند که برف دریایی حاصله کربن را به طور ایمن در کف دریا قفل خواهد کرد. منتقدان استدلال می‌کنند که اثر «آبگیری» ثابت می‌کند این مدل‌ها به طرز خطرناکی ساده‌انگارانه هستند. اگر برف دریایی مصنوعی به سادگی کربن خود را در ستون آب میانی از دست بدهد، مهندسی زمین ممکن است تنها ستون‌های عظیم و در حال گردش کربن محلول ایجاد کند که در نهایت دوباره به جو باز می‌گردند، در حالی که اکوسیستم‌های اعماق دریا را نیز مختل می‌کند.

اقیانوس‌شناسان و بیوژئوشیمی‌دانان 40%مدل‌سازان اقلیمی 35%منتقدان مهندسی زمین 25%
اقیانوس‌شناسان و بیوژئوشیمی‌دانان
تمرکز بر مکانیک فیزیکی پمپ بیولوژیکی و اینکه چگونه این کشف نرخ‌های متابولیک بالای جوامع میکروبی اعماق دریا را توضیح می‌دهد.
مدل‌سازان اقلیمی
تأکید بر نیاز فوری به محاسبه مجدد بودجه‌های جهانی کربن، زیرا کربن آزاد شده در ستون آب میانی متفاوت از کربن دفن شده در رسوبات گردش می‌کند.
منتقدان مهندسی زمین
استدلال می‌کنند که این پیچیدگی تازه کشف شده ثابت می‌کند که طرح‌های بارور کردن مصنوعی اقیانوس بر اساس مدل‌های بیش از حد ساده‌انگارانه جداسازی کربن بنا شده‌اند.

دیدگاه‌هایی که این گزارش پوشش نداده

  • زیست‌شناسان دریایی که گونه‌های خاص اعماق دریا را مطالعه می‌کنند و به این اوج‌های مواد مغذی تازه کشف شده وابسته هستند.
  • سیاست‌گذارانی که عملیات نوظهور استخراج معادن اعماق دریا را تنظیم می‌کنند و ممکن است این چرخه ظریف را مختل کنند.

منابع

پوشش منابع

4 منبع

3 دیدگاه شناسایی‌شده

اقیانوس‌شناسان و بیوژئوشیمی‌دانان 40%مدل‌سازان اقلیمی 35%منتقدان مهندسی زمین 25%
  1. [1]Scripps Institution of Oceanographyاقیانوس‌شناسان و بیوژئوشیمی‌دانان

    New Models of the Biological Pump Reveal Hidden Nutrient Cycles

    مطالعه در Scripps Institution of Oceanography →
  2. [2]National Science Foundationمدل‌سازان اقلیمی

    NSF-Funded Deep Ocean Expedition Uncovers Novel Carbon Cycle Mechanism

    مطالعه در National Science Foundation →
  3. [3]arXivمدل‌سازان اقلیمی

    Re-evaluating global ocean carbon sink estimates incorporating pressure-induced nutrient release

    مطالعه در arXiv →
  4. [4]تیم سردبیری کوهستانمنتقدان مهندسی زمین

    تحلیل تیم سردبیری کوهستان

    مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →

نظرات

همیشه در جریان باشید

هر زاویه. هر روز.

اخبار علم با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، هر روز و رایگان.