Южный океан поглощает из воздуха гораздо больше углерода, чем считали ученые

Фото из открытых источников

В течение многих лет климатические модели пытались точно воспроизвести процессы поглощения углекислого газа Южным океаном каждое лето. Некоторые из них ошибочно определяли сезон в обратном порядке. Измерения, проводимые с кораблей и буев, уже много лет показывают, что воды вокруг Антарктиды каждое лето поглощают углерод из воздуха.

Новое исследование с использованием самолетов наконец-то объясняет, чего не хватало моделям, и показывает, что океан выполняет гораздо большую работу, чем предполагалось в большинстве оценок.

Исследование проведено Юмингом Цзинем из Национального научного фонда США (NSF NCAR). Его команда проанализировала данные атмосферных измерений, собранные исследовательскими самолетами за почти десятилетие. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Согласно проведенным расчетам, биологическая активность в Южном океане ежегодно преобразует около 6,5 миллиардов тонн углерода в живые ткани. Это значительно превышает показатели большинства климатических моделей и спутниковых данных.

Она также совпадает с независимой оценкой, полученной на основе данных, собранных с дрейфующих подводных буев, что придает новой цифре значительный вес в области, где обычно наблюдаются большие расхождения между методами.

Фотосинтез — это двигатель. Фитопланктон — микроскопические океанические организмы — извлекают растворенный углерод из воды и превращают его в живую ткань. Чем быстрее они растут, тем больше углекислого газа извлекается из воздуха для его восполнения.

Но это не единственный процесс. Когда летнее солнце нагревает поверхность, вода может удерживать меньше газов и выделяет часть из них, в том числе углекислый газ.

До публикации этой статьи отделить то, что поглотил фитопланктон, от того, что выбросило потеплевшее море, используя только атмосферные данные, было сложно. Сигналы переплетаются.

Команда Джина изучала кислород, а не только углекислый газ. Фотосинтез выделяет кислород, поэтому активный фитопланктон выбрасывает его в воздух — это химический отпечаток биологической активности. Вот в чем подвох. Нагревание поверхностных вод также выделяет кислород. Направление действия такое же, как и у биологического сигнала. Причины другие.

Используя данные о температуре океана, команда смогла вычесть компонент, обусловленный потеплением, и оставить биологический сигнал чистым.

«Глобальное потепление и биологические процессы взаимно усиливают друг друга в плане изменения концентрации кислорода, а не противодействуют друг другу, как это происходит в случае с углекислым газом», — сказал Джин.

Модели земной системы — это инструменты, которые климатологи используют для прогнозирования того, что произойдет с океанами, атмосферой и льдом в ближайшие десятилетия. Для Южного океана у многих из них есть известная проблема.

Более ранние исследования связывали проблему со слабой биологической продуктивностью. Когда модели недооценивают темпы роста фитопланктона, они также недооценивают количество углерода, поглощаемого каждое лето. Иногда это происходит значительно.

Некоторые модели полностью искажают сезон. «В некоторых моделях ошибки настолько велики, что они имитируют выброс углекислого газа Южным океаном летом, хотя наблюдения ясно показывают, что он поглощает углекислый газ», — сказал Джин.

Сбор данных для этой работы был непростым делом. В рамках трех проектов исследовательские самолеты были отправлены над одними из самых ветреных и малопосещаемых водоемов на Земле. Пролетая близко к поверхности и на высоте нескольких километров, они отбирали пробы воздуха по всей толще атмосферы над океаном.

В период с 2009 по 2018 год три различные исследовательские программы Национального научного фонда (NSF) и НАСА провели десять отдельных кампаний над этими водами, охватывающих почти десятилетний период измерений.

«Высокоэффективные исследовательские самолеты позволяют нам проводить важнейшие измерения атмосферы, которые мы не можем получить никаким другим способом», — сказал соавтор исследования Бриттон Стивенс из NSF NCAR.

Корабли берут пробы океана точка за точкой. Поплавки медленно дрейфуют между измерениями. Самолеты облетают целые океанские бассейны за несколько дней, что и требовалось для данного исследования.

До этого исследования никто не мог четко отделить воздействие фитопланктона на углерод от его высвобождения из-за потепления воды, используя только данные с самолетов. Метод отслеживания уровня кислорода теперь позволяет сделать именно это.

В сочетании с измерениями на поверхности океана это снижает неопределенность в прогнозах поглощения углерода Южным океаном к концу века на 53 процента. Значительный скачок в уверенности.

Теперь у разработчиков климатических моделей есть эталон для проверки того, насколько точны их модели летнего поглощения углерода. Многие из них работали слишком слабо.

Теперь у ученых-рыбоводов, изучающих основы пищевой цепи, есть более точные данные о продуктивности. По одной из недавних оценок, в глобальном масштабе океаны поглощают примерно четверть антропогенных выбросов углекислого газа каждый год, и на Южный океан приходится непропорционально большая часть этих выбросов.

Цифра в 6,5 миллиардов тонн не означает, что весь этот углерод остается вне атмосферы. Водоросли отмирают, оседают на дне и разлагаются, в конечном итоге возвращая содержащийся в них углерод в циркуляцию.

Что изменилось сейчас: теперь более непосредственно измеряется механизм, приводящий к летнему сокращению выбросов, что позволяет уточнить картину глобального углеродного цикла таким образом, как это не могли сделать результаты моделирования и спутниковые снимки.