گرم شدن اقیانوس‌ها یک حلقه بازخورد جدید متان را فعال می‌کند که در مدل‌های اقلیمی لحاظ نشده است

برای دهه‌ها، اجماع علمی در مورد متان ساده بود: این گاز در مکان‌های فاقد اکسیژن تولید می‌شود. باتلاق‌ها، مرداب‌ها، محل‌های دفن زباله و رسوبات عمیق اقیانوسی مقصران شناخته‌شده بودند، در حالی که سطح اقیانوس‌های باز – که مملو از اکسیژن است – منطقه‌ای عاری از متان در نظر گرفته می‌شد.

با این حال، اندازه‌گیری‌های میدانی به طور مداوم نشان می‌دادند که آب‌های سطحی این گاز گلخانه‌ای قوی را به اتمسفر نشت می‌دهند؛ پارادوکسی که محققان تصور می‌کردند یا خطای اندازه‌گیری است یا یک ناهنجاری محلی. اکنون، یک مطالعه جامع این سابقه را اصلاح کرده و یک سازوکار بیولوژیکی را آشکار ساخته که در آب‌های غنی از اکسیژن رشد می‌کند و یک حلقه بازخورد خودتقویت‌کننده را نشان می‌دهد که به طور کامل در مدل‌های اقلیمی فعلی وجود ندارد.[1]

این پیشرفت که در نشریه «مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم» (PNAS) منتشر شده است، کمبود فسفات را به عنوان عامل اصلی کنترل تولید متان دریایی معرفی می‌کند. محققان دانشگاه روچستر (University of Rochester) مجموعه‌داده‌های جهانی اقیانوسی را با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری ترکیب کردند تا فعالیت میکروبی را در محیط‌های مختلف دریایی ردیابی کنند.

آنها کشف کردند که برخی باکتری‌های دریایی متان را به عنوان محصول جانبی تجزیه مواد آلی تولید می‌کنند، اما این مسیر متابولیک خاص را تنها زمانی فعال می‌کنند که فسفات – یک ماده مغذی حیاتی برای انرژی سلولی – به شدت کم باشد.[1][2]

در شرایط عادی، اختلاط عمودی در اقیانوس، آب‌های عمیق و غنی از مواد مغذی را به سطح می‌آورد و سطح فسفات را ثابت نگه می‌دارد و رفتار تولیدکننده متان را سرکوب می‌کند. با این حال، با افزایش دمای جهانی، اقیانوس از بالا به پایین گرم می‌شود. این گرمایش سطحی، تفاوت چگالی بین لایه‌های بالایی و اعماق سردتر را افزایش می‌دهد؛ فرآیندی فیزیکی که به عنوان طبقه‌بندی حرارتی (Thermal Stratification) شناخته می‌شود. هرچه این طبقه‌بندی قوی‌تر شود، اختلاط آب‌های عمیق به سمت بالا و تأمین مجدد سطح دشوارتر می‌شود.[3]

این پویایی همان جایی است که حلقه بازخورد شعله‌ور می‌شود. با کند شدن اختلاط عمودی توسط طبقه‌بندی، آب‌های سطحی به طور فزاینده‌ای دچار کمبود فسفات می‌شوند. این کمبود، شکافتن ترکیبات آلی خاص توسط میکروب‌ها را فعال می‌کند که متان آزاد می‌کند.

از آنجایی که متان در به دام انداختن گرما در اتمسفر بسیار مؤثر است، انتشار اضافی آن سیاره را بیشتر گرم می‌کند. این گرمای اتمسفر به نوبه خود سطح اقیانوس را گرم می‌کند، طبقه‌بندی را عمیق‌تر می‌سازد و میکروب‌ها را از فسفات بیشتری محروم می‌کند و این چرخه را تداوم می‌بخشد.[1][4]

محدودیت‌های داده‌ای در این مطالعه، این پدیده را عمدتاً در چرخندهای (gyres) نیمه‌گرمسیری اقیانوس اطلس شمالی و جنوبی، اقیانوس آرام شمالی و اقیانوس هند ترسیم می‌کند، جایی که فسفات سطحی اغلب به زیر آستانه‌های بحرانی می‌رسد. مدل تخمین می‌زند که این تولید اکسیژنی در اقیانوس باز، مجموعاً حدود ۲.۱۵ تراگرم متان در سال است.

اگرچه این مقدار کسری کوچک از کل انتشار جهانی متان را تشکیل می‌دهد، اما تا ۱۰ درصد از منابع طبیعی را شامل می‌شود – یک خط پایه که با گرم شدن اقیانوس‌ها به طور فعال در حال گسترش است.[1]

نگران‌کننده‌ترین جنبه یافته تیم روچستر، نه تنها خود سازوکار، بلکه غیبت آن در ابزارهای پیش‌بینی ما است. مدل‌های کنونی سیستم زمین (Earth System Models)، از جمله آنهایی که هیئت بین‌دولتی تغییر اقلیم (IPCC) به آنها تکیه می‌کند، این پیوند فسفات-متان را در نظر نمی‌گیرند. در حالی که مدل‌ها بازخوردهای فیزیکی مانند ذوب شدن یخ دریا و تغییر آلبدو را با موفقیت ثبت می‌کنند، کمی‌سازی بازخوردهای بیولوژیکی گازهای گلخانه‌ای به طور مشهوری دشوار است و اغلب به طور کامل حذف می‌شوند و منحنی‌های گرمایش پیش‌بینی‌شده را به طور مصنوعی مسطح می‌کنند.

شواهد مربوط به این سازوکار در شبیه‌سازی‌های کنترل‌شده و داده‌های مقطعی محلی قوی است، اما تعمیم آن در سطح جهانی عدم قطعیت‌های ذاتی دارد. نرخ دقیق شتاب طبقه‌بندی در کاهش فسفات همچنان به الگوهای گسترده‌تر گردش اقیانوسی بستگی دارد، که خود به طور غیرقابل پیش‌بینی در حال تغییر هستند. علاوه بر این، در حالی که مسیر میکروبی تأیید شده است، سویه‌های باکتریایی خاص مسئول و محدودیت‌های سازگاری بالقوه آنها هنوز به طور کامل توسط زیست‌شناسان دریایی نقشه‌برداری نشده است.[1][3]

اگر مدل‌های اقلیمی برای گنجاندن این حلقه بازخورد به‌روزرسانی شوند، ممکن است جدول زمانی عبور از آستانه‌های حیاتی گرمایش فشرده‌تر شود. این یافته‌ها بر یک واقعیت فروتنانه در علم اقلیم تأکید می‌کنند: سیستم‌های بیولوژیکی زمین بسیار واکنش‌پذیر هستند و حتی تغییرات میکروسکوپی در دسترس بودن مواد مغذی می‌تواند به بیرون گسترش یابد و جو جهانی را تغییر دهد. درک این سازوکارها اولین گام برای ساخت مدل‌های دقیقی است که برای مدیریت آنها مورد نیاز است.[2][4]