Микроскопические хлопья «морского снега» могут влиять на климат всей планеты

Фото из открытых источников

Ученые, оценивающие частоту столкновений опускающихся в океан частиц, на протяжении десятилетий использовали две конкурирующие модели. Когда эти модели давали разные результаты, исследователи объединяли их и считали, что результат достаточно близок.

Новые расчеты польских физиков показывают, что комбинированный подход может неточно отражать истинную частоту столкновений в 100 раз. Этот разрыв проходит прямо через цифры, используемые для отслеживания того, сколько углерода фактически поглощает океан. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Fluid Mechanics.

Морской снег образуется у освещенной солнцем поверхности океана. Фитопланктон превращает углекислый газ в ткани, а его мертвые останки, слипаясь со слизью и фекальными гранулами, образуют рыхлые хлопья.  Некоторые из них меньше пылинки. Другие простираются на доли сантиметра в поперечнике и опускаются вниз со скоростью до нескольких десятков метров в день.

Сохранившиеся хлопья удерживают углерод в глубинах океана на протяжении столетий благодаря биологическому углеродному насосу, одному из основных путей удаления парниковых газов из воздуха.

Лишь небольшая часть достигает глубин океана. Большая часть, согласно статье, основанной на результатах многолетних измерений, поедается бактериями или зоопланктоном в верхних слоях.

Ведущий автор нового исследования Ян Турчинович Варшавского университета (UW) поставил перед собой задачу понять, почему столкновения в верхних слоях атмосферы имеют такие серьезные последствия.

На пути вниз частицы сталкиваются друг с другом. Некоторые столкновения приклеивают более мелкие частицы к более крупным, ускоряя спуск. Другие же захватывают бактерии, которые поедают частицы изнутри, разрушая их.

Частота, с которой отслоившаяся частица достигает дна, частично зависит от того, как часто она сталкивается с чем-либо еще. Исследователи использовали две конкурирующие модели для оценки частоты столкновений.

Одна теория описывает это как броуновское движение — случайное колебание мелких частиц, перемещаемых молекулами воды. Другая описывает быстро опускающуюся чешуйку, которая перехватывает на своем пути более мелкие и медленно движущиеся объекты.

Оба варианта верны. Оба варианта неверны. Ни один из них не описывает того, что происходит, когда снежинка сталкивается с оживленным участком океана, полным более мелких частиц. На практике оба эффекта действуют одновременно. Тонущая чешуйка захватывает одни частицы за счет прямого перехвата, а другие — за счет случайного движения, которое приводит их в контакт.

Проблема в том, что две модели дают совершенно разные результаты в крайних случаях. Одна предсказывает практически нулевое количество столкновений, другая — их большое количество. Турчинович и его коллеги решили уравнения для процесса оседания сферы в жидкости, в то время как более мелкие объекты диффундируют вокруг неё. Они провели моделирование, охватывающее весь диапазон размеров частиц и скоростей погружения.

В результате получилась единая формула, которая работает независимо от того, движутся ли частицы под воздействием случайных колебаний или увлекаются траекторией движения частицы — и во всех промежуточных случаях. Две картины, одно уравнение.

Главный вывод касается быстро тонущих слоев. В случае крупных частиц, врезающихся в крошечный пикопланктон , старая модель «захвата» упускает большую часть процесса. Предполагалось, что диффузия в этом случае будет незначительной. Но это не так.

«Этот метод дает погрешность, не превышающую 20%», — сказал Турчинович, имея в виду практику простого суммирования двух существующих моделей столкновений.

Сложение коэффициентов было почти верным, но физические принципы, лежащие в основе суммы, были неверны, и дальнейшее применение этого метода могло бы привести к еще большей ошибке.

При сравнении стандартного подхода, основанного на зачистке территории, с полной моделью моста, разрыв достиг двух порядков величины. Столкновения происходили в 100 раз чаще, чем предсказывала старая формула.

В результате математических расчетов вырисовывается нечто неожиданное. Граница между двумя режимами столкновения – где броуновское блуждание сменяется прямым перемещением – проходит почти точно там, где биологи разделяют пикопланктон и нанопланктон. Две разные области. Одна и та же разделительная линия.

Эти категории не случайны. Они отражают реальные физические изменения во взаимодействии мельчайших организмов с тонущими обломками.

Данная модель является теоретической, а не прямым измерением. Она предполагает сферическую форму частиц в медленном, плавном потоке и рассматривает взаимодействия по одной паре за раз.

Настоящий морской снег имеет комковатую, неровную форму и часто покрыт слизистыми ореолами, которые тянутся за тонущими скоплениями, словно хвосты комет, как показало недавнее исследование частиц в заливе Мэн.

Авторы ясно указывают на этот пробел. Их новая формула дает гораздо более чистую отправную точку, чем старый бинарный выбор, и уменьшает ту часть проблемы, которую исследователям приходится решать с помощью предположений.

На протяжении 50 лет морские биологи пытаются точно определить, сколько углерода на самом деле поглощает глубокий океан. Ответ на этот вопрос напрямую используется в климатических моделях, прогнозах рыболовства и предсказаниях того, как потепление изменит химический состав океана.

Если мелкие частицы встречаются с крупными в 100 раз чаще, чем предполагалось, то скорость их слипания, скорость колонизации микробами и скорость обратного расщепления углерода могут потребовать новых расчетов. Это не обязательно означает, что больше углерода достигает морского дна. Более быстрые взаимодействия могут ускорить деградацию так же легко, как и оседание.

Это говорит о том, что базовые часы работают быстрее, и модели, построенные на старой формуле, вероятно, недооценивают скорость, с которой решается судьба морского снега в верхних слоях моря.