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

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]

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]

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]

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]