Este amarre de la NOAA frente a la costa de Washington lleva una variedad de sensores relacionados con el carbono. A Fassbender le gustaría ampliarlos con un nuevo instrumento que ella y otros investigadores están desarrollando. Crédito:Richard Feely, NOAA PMEL
Como tormentas desastrosas, inundaciones y los incendios se vuelven más comunes en los EE. UU. y en otros lugares, los humanos apenas están comenzando a apreciar algunos de los impactos del calentamiento global. Pero estos impactos serían mucho peores si el océano no hubiera absorbido aproximadamente el 45 por ciento del dióxido de carbono que los humanos han liberado desde el comienzo de la revolución industrial. Aunque los científicos saben desde hace mucho tiempo que los océanos absorben una gran cantidad de dióxido de carbono, los detalles de este proceso aún son confusos. La química marina de MBARI Andrea Fassbender está tratando de enfocar este proceso al estudiar cuándo, dónde, y cómo se mueve el carbono entre la atmósfera, océano superior, y mar profundo.
Los conceptos básicos de este proceso de ciclo del carbono se comprenden relativamente bien. Cuando las concentraciones de dióxido de carbono son más altas en la atmósfera que en las aguas superficiales del océano, el dióxido de carbono de la atmósfera se disolverá en el océano. Parte de este dióxido de carbono es utilizado por algas microscópicas que incorporan carbono en sus cuerpos a medida que crecen y se reproducen en las aguas superficiales iluminadas por el sol.
Cuando las algas microscópicas son consumidas por animales y microbios, el carbono de sus cuerpos se transfiere a estos organismos, que llevan el carbono dentro de sus cuerpos o lo liberan como desecho en el agua circundante. La mayor parte de este carbono permanece a unos 100 metros de la superficie del mar, donde pueda volver fácilmente a la atmósfera, especialmente durante los meses de invierno, cuando las aguas del océano están más revueltas y la concentración de algas es menor.
Sin embargo, una cantidad pequeña pero de vital importancia de este carbono se hunde en aguas más profundas, cientos a miles de metros por debajo de la superficie del mar. Parte de este carbono se transporta a las profundidades en forma de nieve marina:pequeñas motas de algas y animales muertos. Material de desecho, y moco. Cuanto más abajo se hunde este carbono, cuanto más tiempo se almacene en el océano antes de volver a entrar en contacto con la atmósfera.
Si el carbón se hunde lo suficientemente profundo como para que sea poco probable que vuelva a la superficie mediante la mezcla invernal, se considera exportado de las aguas superficiales. Si el carbono alcanza profundidades a las que es poco probable que vuelva a la superficie durante cientos de años o más, se considera secuestrado en las profundidades marinas.
Los oceanógrafos llaman a este proceso de transporte vertical de carbono la bomba biológica, y es el núcleo de gran parte de la investigación de Fassbender. Aunque el concepto general de bomba biológica es relativamente simple, los detalles son extremadamente complicados e involucran muchas sustancias químicas interrelacionadas, biológico, y procesos físicos, que varían de un lugar a otro y en escalas de tiempo que van desde minutos hasta milenios. La bomba biológica también es un componente importante en los modelos informáticos que utilizan los científicos para predecir el calentamiento global.
Para comprender completamente la bomba biológica, Los oceanógrafos necesitan medir el carbono en el océano en todas sus diversas formas, incluso:
Durante el año pasado, Fassbender participó activamente en varios proyectos de investigación y publicaciones centrados en el ciclo del carbono en el océano. con énfasis en la bomba de carbono biológico y los procesos que controlan cómo los océanos absorben el carbono generado por el hombre. El siguiente texto describe parte de este innovador trabajo.
La importancia de las estaciones en el mar
En septiembre de 2018, Fassbender publicó un artículo de investigación en Ciclos biogeoquímicos globales que destacó la importancia de los cambios estacionales en las concentraciones de dióxido de carbono en diferentes partes del océano.
El gas de dióxido de carbono es más soluble en agua fría que en agua tibia. Como resultado, El calentamiento estacional del agua superficial durante la primavera y el verano aumenta la presión parcial del gas de dióxido de carbono en el agua de mar (la presión parcial de un gas está directamente relacionada con su concentración). Sin embargo, Las algas microscópicas crecen rápidamente durante la primavera y el verano. consumir dióxido de carbono. En algunos entornos, esto contrarresta el efecto del calentamiento de las aguas.
Debido a que el gas de dióxido de carbono es más soluble en agua fría, El enfriamiento estacional del océano durante el invierno hace que disminuya la presión parcial del gas de dióxido de carbono. Además, la turbulencia de las tormentas invernales trae aguas profundas, rico en dióxido de carbono, hacia la superficie durante el invierno, que trabaja para contrarrestar la influencia del agua más fría.
Estos procesos son comunes a todas las regiones oceánicas, pero su momento y magnitud pueden diferir de un lugar a otro, resultando en ciclos estacionales únicos de dióxido de carbono en las aguas superficiales.
Como resultado de los procesos descritos anteriormente, Las áreas oceánicas de alta latitud generalmente absorben dióxido de carbono de la atmósfera durante los meses de primavera y verano debido a la actividad biológica y liberan dióxido de carbono a la atmósfera durante el otoño y el invierno como resultado de una mezcla profunda.
En áreas de baja latitud (más cerca del ecuador), Los cambios estacionales en la temperatura del agua dictan en gran medida las variaciones de dióxido de carbono de la superficie del océano. El resultado es que estas áreas tienden a tener presiones parciales más altas de gas de dióxido de carbono durante el verano y valores más bajos en invierno.
El reciente artículo de Fassbender mostró que el carbono generado por humanos que ingresa a los océanos alterará estos ciclos estacionales, por ejemplo, amplificando los extremos estacionales de una manera asimétrica. Por ejemplo, algunas regiones pueden exhibir un mayor crecimiento en el máximo de verano que en el nivel mínimo de dióxido de carbono en invierno a lo largo del tiempo, provocando un aumento general en el rango de variaciones estacionales de dióxido de carbono.
Este hallazgo tiene implicaciones importantes sobre cómo la absorción de carbono oceánico puede cambiar en el futuro. Adicionalmente, sugiere que los científicos deben realizar observaciones que abarquen todo el año para estimar con precisión las tendencias a largo plazo en el contenido de dióxido de carbono de la superficie del océano, porque las tendencias durante el invierno y el verano pueden no ser las mismas.
Reunir a los investigadores de campo y a los modeladores
Aunque los científicos definitivamente necesitan más mediciones de carbono en invierno en áreas de alta latitud del océano, Hay muchas otras áreas oceánicas donde los detalles del ciclo del carbono no se comprenden bien. Por ejemplo, las llamadas "corrientes fronterizas occidentales, "como la Corriente del Golfo en el Atlántico noroccidental y la Corriente de Kuroshio en el Pacífico noroccidental, son de vital importancia en el transporte de calor y carbono por los océanos del mundo.
En otoño de 2017, Fassbender coorganizó un taller en MBARI donde los investigadores de campo y los expertos en modelos informáticos pudieron discutir el ciclo del carbono en las corrientes fronterizas occidentales. Los objetivos principales del taller fueron reunir a científicos de observación y modeladores para comparar sus hallazgos y proponer métodos para llenar los vacíos en la comprensión de los científicos de estas áreas. Estaban particularmente interesados en recopilar nuevos datos que mejorarán los modelos informáticos del ciclo del carbono oceánico.
El taller fue copatrocinado por el Programa de Previsibilidad y Variabilidad del Clima de EE. UU. (CLIVAR) y el Programa de Biogeoquímica y Carbono Oceánico de EE. UU. Después del taller, Fassbender y sus colegas compilaron y editaron un informe que resume las preguntas y recomendaciones clave relacionadas con el ciclo del carbono en las corrientes fronterizas occidentales, que se publicó en agosto de 2018 y se presentó al Grupo Interinstitucional CLIVAR de EE. UU. en octubre de 2018.
Mejora de las estimaciones basadas en satélites de la actualización del carbono oceánico
La NASA está adoptando otro enfoque para el desafío de la globalización, todo el año, monitoreo de carbono oceánico. Al mismo tiempo que se publicó su artículo reciente en Global Biogeochemical Cycles, Fassbender y otros investigadores de MBARI participaron en un gran experimento de campo llamado Procesos de exportación en el océano desde la percepción remota (EXPORTS), que fue financiado por la NASA y la National Science Foundation.
Durante el crucero de investigación EXPORTS de verano de 2018, dos grandes buques de investigación oceanográfica y científicos de más de 15 equipos de proyecto y numerosas instituciones de investigación estadounidenses se dirigieron al Pacífico Norte para recopilar datos sobre la bomba biológica, utilizando una amplia gama de instrumentos de laboratorio de última generación, sensores y robots autónomos, y satélites.
Los satélites proporcionan un vista global del océano. Sin embargo, sensores basados en satélites, en la mayor parte, solo observe las capas superiores del océano. Por lo tanto, Un objetivo principal del experimento EXPORTS fue desentrañar los detalles de la bomba biológica y su relación con las propiedades ópticas en la columna de agua (que pueden ser observadas por satélites). Esto significó profundizar en lo físico, químico, y procesos biológicos implicados en la bomba biológica.
Aprendiendo más sobre los mecanismos involucrados en la bomba biológica, los investigadores esperan mejorar las estimaciones basadas en satélites de la cantidad de carbono que se exporta a las profundidades marinas. Al comparar las observaciones de la superficie y del subsuelo en el Pacífico Norte (así como en el Atlántico Norte durante un segundo experimento en 2020), Los investigadores financiados por la NASA y la NSF desarrollarán mejores métodos para utilizar observaciones satelitales para estudiar el ciclo del carbono marino.
Durante el experimento EXPORTS, Fassbender y sus colegas utilizaron robots, flota a la deriva de la química del océano, y otros instrumentos automatizados para medir procesos físicos y biológicos en el Pacífico Nororiental, tanto en la superficie como en las profundidades. Los flotadores permanecerán en el mar durante años seguidos, permitiendo a Fassbender y sus colegas estimar cuánto carbono se almacena a diferentes profundidades en el océano y en diferentes épocas del año. El equipo recién está comenzando a analizar los datos de estos instrumentos.
Acidificación del océano en el noroeste del Pacífico
Todos los proyectos enumerados anteriormente muestran la importancia de recopilar nuevos datos que muestren cómo cambia la química del carbono en el océano a lo largo del año. Pero Fassbender también está interesado en mediciones históricas y tendencias a largo plazo en la química del carbono. incluido el proceso de acidificación de los océanos.
La acidificación del océano ocurre cuando el dióxido de carbono se disuelve en las aguas superficiales del océano, disminuir la concentración de iones carbonato, y haciendo que el agua de mar se vuelva más ácida. En julio de 2018, Fassbender y sus colegas publicaron un artículo en Earth System Science Data que se centró en la acidificación de los océanos alrededor del estado de Washington, un área donde la industria de los mariscos costeros ya puede estar experimentando los impactos de la química oceánica cambiante.
Al preparar este documento, Fassbender y sus coautores recopilaron y analizaron prácticamente todos los datos históricos y existentes sobre la química del carbono para esta región:aproximadamente 100, 000 mediciones en total. Esto incluyó datos históricos de "atlas oceánicos", así como datos de barcos de investigación, boyas de vigilancia, y experimentos de campo.
Este estudio fue único porque proporcionó información de referencia moderna sobre la variabilidad estacional de numerosos datos sobre el carbono oceánico en toda la región, información que no existía anteriormente. Estos datos de carbono incluían el pH (acidez) del agua de mar superficial, dióxido de carbono, carbono inorgánico disuelto, alcalinidad total, y el estado de saturación del aragonito (un mineral que forma las conchas de muchos organismos marinos). Los datos recopilados servirán como una referencia valiosa que ayudará a los científicos a detectar cambios en la química del agua de mar en esta región durante los próximos años y décadas.
Además de proporcionar una línea de base, o sentido de lo que es actualmente normal en las aguas oceánicas del estado de Washington, la investigación destacó las principales diferencias en la química del carbono entre las aguas semicerradas de Puget Sound y el Océano Pacífico abierto. Por ejemplo, Los datos mostraron que el rango estacional en la acidez del agua de mar superficial dentro del Canal Hood es aproximadamente 27 veces mayor que en las aguas del océano abierto frente a Washington.
Este hallazgo indica que las algas y los animales que viven en las aguas protegidas del noroeste del Pacífico están expuestos a cambios estacionales de acidez mucho mayores (además de todas las demás variables evaluadas del sistema de carbonatos) que los que viven en aguas oceánicas abiertas cercanas.
El futuro automatizado de las mediciones de la química oceánica
Estos días, Fassbender continúa su trabajo en el ciclo del carbono en varios frentes. Durante 2019, espera desarrollar un nuevo instrumento de química del carbono para su uso en boyas oceánicas y robots de superficie que puedan permanecer en el mar durante meses y atravesar grandes áreas del océano. Fassbender está trabajando con varios ingenieros de MBARI en este proyecto, así como investigadores de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) y la Universidad de Hawaii.
Uno de sus objetivos es instalar el nuevo instrumento en las boyas de monitoreo del clima de la NOAA. Los instrumentos existentes en estas boyas miden el dióxido de carbono en la atmósfera y en la superficie del océano, y algunas boyas también están equipadas con sensores de pH. El nuevo instrumento mediría el carbono inorgánico disuelto además del dióxido de carbono, proporcionar a los científicos nueva información sobre la absorción de carbono oceánico y los cambios en la química oceánica.
A nivel global Fassbender señala que, durante los últimos 10 años, un esfuerzo concertado para expandir y compilar observaciones durante todo el año de las observaciones de dióxido de carbono de la superficie del océano ya les ha dado a los científicos una mayor comprensión de la cantidad de carbono que se mueve entre el océano y la atmósfera cada año. Ella espera que al desarrollar nuevos instrumentos y distribuirlos en plataformas de todo el mundo, ella y sus colegas investigadores obtendrán información valiosa sobre los detalles más finos del ciclo del carbono en regiones oceánicas remotas. Esto a su vez, ayudará a mejorar los modelos informáticos críticos que utilizan los científicos para predecir el clima futuro en la Tierra.
