سازوکار برف دریایی: پمپ بیولوژیکی چگونه کربن را در اعماق اقیانوس ذخیره می‌کند

مدل‌سازان اقلیمی برای پیش‌بینی سطح کربن جو در آینده، اقیانوس را عمدتاً به‌عنوان یک اسفنج شیمیایی پهناور و قابل‌پیش‌بینی در نظر می‌گیرند که دی‌اکسید کربن را از طریق انتشار فیزیکی جذب می‌کند. اما زیست‌شناسان دریایی با نگاه به همین اقیانوس، یک موتور زنده و شکننده را می‌بینند؛ موتوری که در آن، نرخ ذخیره‌سازی کربن کاملاً به عادات تغذیه‌ای زئوپلانکتون‌ها، میزان چسبندگی جلبک‌های میکروسکوپی و سرعت ته‌نشینی بقایای آلی بستگی دارد.[2][8]

این موتور زنده همان پمپ کربن بیولوژیکی است. هسته اصلی آن «برف دریایی» است؛ بارش مداومی از بقایای آلی که از سطح آفتاب‌گیر به سمت اعماق تاریک فرو می‌ریزد و کربن را از جو به ژرفای اقیانوس منتقل می‌کند.[3][7]

این فرآیند در منطقه نورگیر (euphotic zone)، یعنی ۲۰۰ متر ابتدایی ستون آب آغاز می‌شود. در اینجا، فیتوپلانکتون‌ها تقریباً نیمی از کل فتوسنتز روی زمین را انجام می‌دهند و تخمین زده می‌شود که سالانه ۵۰ گیگاتن کربن را تثبیت می‌کنند.[2]

هنگامی که این موجودات تک‌سلولی می‌میرند یا توسط زئوپلانکتون‌ها خورده می‌شوند، بقایای آن‌ها به‌سادگی حل نمی‌شود. این بقایا با گلوله‌های مدفوع، مواد معدنی زیستی و ذرات شفاف اگزوپلیمر (قندهای چسبناکی که توسط باکتری‌ها ترشح شده و به‌عنوان چسب بیولوژیکی عمل می‌کنند) به یکدیگر می‌چسبند.[6]

این تجمع، برف دریایی را شکل می‌دهد. همان‌طور که در مطالعه سال ۲۰۲۱ نشریه نیچر کامیونیکیشنز (Nature Communications) تشریح شده است، مورفولوژی این ذرات سرنوشت آن‌ها را تعیین می‌کند. توده‌های متراکم و فشرده به‌سرعت فرو می‌روند و تا ۱۰۰ متر در روز جابه‌جا می‌شوند، در حالی که توده‌های سست و متخلخل در لایه‌های بالایی ستون آب باقی می‌مانند.[6]

مؤسسه اقیانوس‌شناسی وودز هول (Woods Hole) خاطرنشان می‌کند: «پمپ کربن بیولوژیکی، سازوکار اصلی اقیانوس برای دور نگه داشتن کربن از جو برای دوره‌های طولانی است.» بدون این پمپ، سطح دی‌اکسید کربن جو تقریباً ۲۰۰ قسمت در میلیون (ppm) بیشتر از میزان کنونی آن بود.[3]

تنها بخش کوچکی از کربن تثبیت‌شده در سطح، از این سفر عمودی جان سالم به در می‌برد. بر اساس گزارش نشریه بررسی سالانه علوم دریایی (Annual Review of Marine Science)، حدود ۱۰ درصد از تولیدات سطحی به زیر لایه مخلوط اقیانوس نفوذ می‌کند.[2]

تا زمانی که این برف به عمق ۱۰۰۰ متری برسد، تنفس باکتریایی بیشتر آن را مصرف کرده است. این فرآیند که به عنوان معدنی‌سازی مجدد (remineralization) شناخته می‌شود، کربن آلی را دوباره به دی‌اکسید کربن محلول تبدیل می‌کند.[7]

تقریباً ۱ درصد از برف دریایی که باقی می‌ماند و به بستر دریا می‌رسد (اغلب در اعماق بیش از ۴۰۰۰ متر)، وارد وضعیت ذخیره‌سازی بلندمدت می‌شود. کربن رسوب‌کرده در این لایه‌های عمیق برای قرن‌ها یا هزاره‌ها محبوس شده و عملاً از چرخه سریع اقلیمی خارج می‌شود.[1][3]

بازدهی این پمپ ثابت نیست. گزارش سال ۲۰۲۴ دانشگاه استنفورد نشان داد که چگونه فرآیندهای بیولوژیکی پنهان، مانند عفونت‌های ویروسی خاص که سلول‌های فیتوپلانکتون را متلاشی می‌کنند، می‌توانند چسبندگی و تراکم برف حاصل را تغییر داده و در نتیجه شار صادراتی کربن را دگرگون کنند.[4]

دمای آب نیز نقش مهمی در زیرساخت این سیستم ایفا می‌کند. پژوهشگران مؤسسه فناوری فدرال زوریخ (ETH Zurich) در سال ۲۰۲۱ نشان دادند که آب‌های سطحی گرم‌تر، نرخ متابولیک باکتری‌های دریایی را افزایش می‌دهند. تنفس سریع‌تر باکتری‌ها به این معناست که برف دریایی با سرعت بیشتر و در عمق کمتری از ستون آب مصرف می‌شود، پیش از آنکه بتواند به اعماق لازم برای ذخیره‌سازی برسد.[5]

تحلیلی در مارس ۲۰۲۶ از مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) این حساسیت را بیشتر کمّی‌سازی کرد. این پژوهش نشان داد که تغییرات در ساختار جامعه فیتوپلانکتون‌ها (از دیاتوم‌های سنگین و دارای پوسته سیلیکایی به سیانوباکتری‌های سبک‌تر) می‌تواند جرم ذرات در حال ته‌نشینی را در مناطق خاص تا ۱۵ درصد کاهش دهد.[1]

اقیانوس‌ها تقریباً ۳۸,۰۰۰ گیگاتن کربن در خود جای داده‌اند که در مقایسه با موجودی جو، رقم بسیار عظیمی است. حفظ این نسبت نه تنها به فیزیک تبادل گاز، بلکه به معماری میکروسکوپی برفی بستگی دارد که در تاریکی اعماق فرو می‌ریزد.[8]