Curva de Martin - Martin curve
como imaginada por satélite en 2011
La curva de Martin es una ley de potencia utilizada por los oceanógrafos para describir la exportación al fondo del océano de carbono orgánico particulado (POC). La curva se controla con dos parámetros: la profundidad de referencia en la columna de agua y un parámetro de remineralización que es una medida de la velocidad a la que se atenúa el flujo vertical de POC. Lleva el nombre del oceanógrafo estadounidense John Martin .
Fondo
| Parte de una serie sobre el |
| Ciclo del carbono |
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La dinámica de la reserva de carbono orgánico particulado (POC) en el océano es fundamental para el ciclo del carbono marino . POC es el vínculo entre la producción primaria superficial , el océano profundo y los sedimentos marinos . La velocidad a la que se degrada el POC en el océano oscuro puede afectar la concentración atmosférica de CO 2 .
La bomba de carbono biológico (BCP) es un mecanismo crucial por el cual el CO 2 atmosférico es absorbido por el océano y transportado al interior del océano. Sin el BCP, la concentración de CO 2 atmosférico preindustrial (∼280 ppm) habría aumentado a ∼460 ppm. En la actualidad, se ha estimado que el flujo de carbono orgánico particulado (POC) desde la capa superficial del océano al interior del océano es de 4–13 Pg-C año -1 . Para evaluar la eficiencia del BCP, es necesario cuantificar la atenuación vertical del flujo de POC con la profundidad porque cuanto más profundo se transporta el POC, más tiempo se aislará el CO 2 de la atmósfera. Por lo tanto, un aumento en la eficiencia del BCP tiene el potencial de causar un aumento del secuestro de carbono oceánico del CO 2 atmosférico que daría como resultado una retroalimentación negativa sobre el calentamiento global. Diferentes investigadores han investigado la atenuación vertical del flujo POC desde la década de 1980.
En 1987, Martin et al . propuso la siguiente función de ley de potencia para describir la atenuación del flujo POC:
- (1)
donde z es la profundidad del agua (m), y F z y F 100 son los flujos de POC a profundidades de z metros y 100 metros respectivamente. Aunque también se han propuesto y validado otras funciones, como una curva exponencial , esta función de ley de potencia , comúnmente conocida como la "curva de Martin", se ha utilizado con mucha frecuencia en las discusiones sobre el BCP. El exponente b en esta ecuación se ha utilizado como índice de eficiencia BCP: cuanto mayor es el exponente b, mayor es la tasa de atenuación vertical del flujo POC y menor es la eficiencia BCP. Además, las simulaciones numéricas han demostrado que un cambio en el valor de b cambiaría significativamente la concentración de CO 2 atmosférico .
Posteriormente, otros investigadores han derivado perfiles de remineralización alternativos a partir de supuestos sobre la degradabilidad de las partículas y la velocidad de hundimiento. Sin embargo, la curva de Martin se ha vuelto omnipresente debido a que el modelo que asume que la materia orgánica de hundimiento más lento y / o lábil se agota preferentemente cerca de la superficie, lo que provoca un aumento de la velocidad de hundimiento y / o una escala de tiempo de remineralización con la profundidad.
La curva de Martin se puede expresar de una manera un poco más general como:
donde f p ( z ) es la fracción del flujo de materia orgánica particulada de una capa productiva cerca de la superficie que se hunde a través del horizonte de profundidad z [m], C p [ m b ] es un coeficiente de escala y b es un exponente adimensional controlando cómo f p disminuye con la profundidad. La ecuación a menudo se normaliza a una profundidad de referencia z o, pero este parámetro se puede absorber fácilmente en C p .
Tasa de atenuación vertical
La tasa de atenuación vertical del flujo de POC depende en gran medida de la velocidad de hundimiento y la tasa de descomposición de POC en la columna de agua. Debido a que el POC es lábil y tiene poca flotabilidad negativa, debe agregarse con materiales relativamente pesados llamados lastre para asentarse gravitacionalmente en el océano. Los materiales que pueden servir como lastre incluyen ópalo biogénico (en adelante " ópalo "), CaCO 3 y aluminosilicatos . En 1993, Ittekkot planteó la hipótesis de que la drástica disminución de ∼280 a ∼200 ppm de CO 2 atmosférico que se produjo durante el último máximo glacial fue causada por un aumento de la entrada de polvo eólico (lastre de aluminosilicato) al océano, lo que fortaleció el BCP. . En 2002, Klaas y Archer, así como Francois et al. quienes recopilaron y analizaron datos globales de trampas de sedimentos , sugirieron que el CaCO 3 , que tiene la mayor densidad entre los minerales de lastre posibles, es globalmente el facilitador más importante y efectivo del transporte vertical de POC, porque la eficiencia de transferencia (la relación del flujo de POC en el aguas profundas que en el fondo de la capa de mezcla superficial ) es mayor en áreas tropicales y subtropicales donde el CaCO 3 es un componente importante de la nieve marina .
Reportados velocidades hundimiento de CaCO 3 partículas Ricos son altos. Las simulaciones numéricas que tienen en cuenta estos hallazgos han indicado que la futura acidificación de los océanos reducirá la eficiencia del BCP al disminuir la calcificación del océano. Además, la proporción de exportación de POC (la proporción del flujo de POC desde una capa superior (una profundidad fija como 100 metros, o la zona eufótica o capa mixta ) a la productividad primaria neta ) en áreas subtropicales y tropicales es baja debido a las altas temperaturas en la capa superior aumentan las tasas de descomposición del POC. El resultado podría ser una mayor eficiencia de transferencia y una fuerte correlación positiva entre POC y CaCO 3 en estas áreas de baja latitud: POC lábil, que es más fresco y más fácil de degradar para los microbios, se descompone en la capa superior, y POC relativamente refractario es transportado al interior del océano en áreas de baja latitud.
Sobre la base de observaciones que revelaron un gran aumento de los flujos de POC en áreas de alta latitud durante la floración de diatomeas y en el hecho de que las diatomeas son mucho más grandes que los cocolitóforos , Honda y Watanabe propusieron en 2010 que el ópalo , en lugar de CaCO 3 , es crucial como lastre para un transporte vertical POC eficaz en las regiones subárticas. Weber y col. reportaron en 2016 una fuerte correlación negativa entre la eficiencia de transferencia y la fracción de picoplancton del plancton, así como una mayor eficiencia de transferencia en áreas de latitudes altas, donde predomina el fitoplancton grande, como las diatomeas. También calcularon que la fracción de CO 2 transportada verticalmente que ha sido secuestrada en el interior del océano durante al menos 100 años es mayor en las regiones de alta latitud (polares y subpolares) que en las de baja latitud.
En contraste, Bach et al., Realizaron en 2019 un experimento de mesocosmos para estudiar cómo la estructura de la comunidad de plancton afectaba las velocidades de hundimiento e informaron que durante los períodos más productivos la velocidad de hundimiento de las partículas agregadas no era necesariamente mayor, porque las partículas agregadas producidas entonces eran muy esponjosas. ; más bien, la velocidad de sedimentación fue mayor cuando el fitoplancton estaba dominado por células pequeñas. En 2012, Henson et al. revisó los datos globales de trampas de sedimentos e informó que el flujo de POC está correlacionado negativamente con el flujo de exportación de ópalo y no está correlacionado con el flujo de exportación de CaCO 3 .
Los factores clave que afectan la tasa de descomposición biológica del POC que se hunde en la columna de agua son la temperatura del agua y la concentración de oxígeno disuelto (OD): cuanto más baja es la temperatura del agua y la concentración de OD, más lenta es la tasa de respiración biológica y, en consecuencia, el flujo de POC tasa de descomposición. Por ejemplo, en 2015 Marsay con otros datos de flujo de POC analizados de trampas de sedimentos con flotación neutra en los 500 m superiores de la columna de agua y encontró una correlación positiva significativa entre el exponente b en la ecuación (1) anterior y la temperatura del agua (es decir, el POC el flujo se atenuó más rápidamente cuando el agua estaba más caliente). Además, Bach et al. encontraron que las tasas de descomposición de POC son altas (bajas) cuando las diatomeas y Synechococcus (algas dañinas) son el fitoplancton dominante debido al aumento (disminución) de la abundancia de zooplancton y el consiguiente aumento (disminución) de la presión de pastoreo .
Utilizando observaciones radioquímicas (observaciones de flujo de POC basadas en 234Th ), Pavia et al. encontró en 2019 que el exponente b de la curva de Martin era significativamente más pequeño en la zona ecuatorial del Pacífico oriental con poco oxígeno ( hipóxica ) que en otras áreas; es decir, la atenuación vertical del flujo POC fue menor en el área hipóxica. Señalaron que un océano más hipóxico en el futuro conduciría a una menor atenuación del flujo de POC y, por lo tanto, a una mayor eficiencia de BCP y, por lo tanto, podría ser una retroalimentación negativa sobre el calentamiento global. McDonnell y col. informó en 2015 que el transporte vertical de POC es más efectivo en la Antártida, donde la velocidad de hundimiento es mayor y la tasa de respiración biológica es menor que en el Atlántico subtropical. Henson y col. también informó en 2019 una alta tasa de exportación durante el período de floración temprana, cuando la productividad primaria es baja, y una tasa de exportación baja durante el período de floración tardía, cuando la productividad primaria es alta. Atribuyeron la baja tasa de exportación durante la floración tardía a la presión de pastoreo del microzooplancton y las bacterias.
A pesar de estas muchas investigaciones del BCP, los factores que gobiernan la atenuación vertical del flujo de POC todavía están bajo debate. Las observaciones en las regiones subárticas han demostrado que la eficiencia de transferencia entre profundidades de 1000 y 2000 m es relativamente baja y que entre el fondo de la zona eufótica y una profundidad de 1000 m es relativamente alta. Marsay y col. por lo tanto, propuso en 2015 que la curva de Martin no expresa adecuadamente la atenuación vertical del flujo de POC en todas las regiones y que, en cambio, debería desarrollarse una ecuación diferente para cada región. Gloege y col. discutió en 2017 la parametrización de la atenuación vertical del flujo POC, e informó que la atenuación vertical del flujo POC en la zona crepuscular (desde la base de la zona eufótica hasta 1000 m) se puede parametrizar bien no solo mediante un modelo de ley de potencia (Martin curva) sino también mediante un modelo exponencial y un modelo de balasto.
Sin embargo, el modelo exponencial tiende a subestimar el flujo de POC en la zona de medianoche (profundidades superiores a 1000 metros). Cael y Bisson informaron en 2018 que el modelo exponencial (modelo de ley de potencia) tiende a subestimar el flujo de POC en la capa superior y a sobreestimarlo en la capa profunda. Sin embargo, las capacidades de ambos modelos para describir los flujos de POC fueron estadísticamente comparables cuando se aplicaron al conjunto de datos de flujo de POC del Pacífico oriental que se utilizó para proponer la "curva de Martin". En un estudio a largo plazo en el noreste del Pacífico, Smith et al. observó en 2018 un aumento repentino del flujo POC acompañado de una eficiencia de transferencia inusualmente alta; han sugerido que debido a que la curva de Martin no puede expresar un aumento tan repentino, a veces puede subestimar la fuerza de BCP. Además, contrariamente a los hallazgos anteriores, algunos estudios han informado una eficiencia de transferencia significativamente mayor, especialmente a las profundidades marinas, en las regiones subtropicales que en las regiones subárticas. Este patrón puede atribuirse a pequeñas diferencias de temperatura y concentración de OD en las profundidades marinas entre las regiones de alta y baja latitud, así como a una mayor velocidad de hundimiento en las regiones subtropicales, donde el CaCO 3 es un componente importante de las aguas marinas de aguas profundas. nieve. Además, también es posible que POC sea más refractario en áreas de baja latitud que en áreas de alta latitud.
Incertidumbre en la bomba biológica
La bomba biológica del océano regula los niveles de dióxido de carbono atmosférico y el clima transfiriendo el carbono orgánico producido en la superficie por el fitoplancton al interior del océano a través de la nieve marina , donde los microorganismos marinos consumen y respiran el carbono orgánico . Este transporte de superficie a profundo generalmente se describe mediante una relación de ley de potencia de la concentración de partículas que se hunden con la profundidad. La incertidumbre en la fuerza biológica de la bomba puede estar relacionada con diferentes valores de variables ( incertidumbre paramétrica ) o las ecuaciones subyacentes ( incertidumbre estructural ) que describen la exportación de materia orgánica. En 2021, Lauderdale evaluó la incertidumbre estructural utilizando un modelo de biogeoquímica oceánica mediante la sustitución sistemática de seis perfiles de remineralización alternativos que se ajustan a una curva de ley de potencia de referencia. La incertidumbre estructural hace una contribución sustancial, alrededor de un tercio en términos de pCO 2 atmosférico , a la incertidumbre total de la bomba biológica, destacando la importancia de mejorar la caracterización de la bomba biológica a partir de las observaciones y su inclusión mecanicista en los modelos climáticos.
El fitoplancton en la superficie del océano consume carbono y nutrientes durante la producción primaria , lo que lleva a un flujo descendente de materia orgánica. Esta "nieve marina" es transformada, respirada y degradada por organismos heterótrofos en aguas más profundas, y finalmente libera esos componentes de nuevo en forma inorgánica disuelta . El vuelco oceánico y la mezcla turbulenta devuelven las aguas profundas ricas en recursos a la capa superficial iluminada por el sol, lo que mantiene la productividad global de los océanos. La bomba biológica mantiene este gradiente vertical de nutrientes a través de la absorción, el transporte vertical y la remineralización de materia orgánica, almacenando carbono en las profundidades del océano que está aislado de la atmósfera en escalas de tiempo centenarias y milenarias, reduciendo los niveles de CO 2 atmosférico en varios cientos de microatmósferas. La bomba biológica resiste la caracterización mecanicista simple debido al complejo conjunto de procesos biológicos, químicos y físicos involucrados, por lo que el destino del carbono orgánico exportado se describe típicamente utilizando un perfil dependiente de la profundidad para evaluar la degradación del material particulado que se hunde.