新的研究揭示了海洋在一段时间内吸收多少碳的不确定性——气候预测可能是错误的

沉积物收集器海洋雪

沉积物陷阱样品的第一张照片之一显示颗粒,聚集体和炮弹,这些颗粒占“海洋雪”。信用:©Wo​​ods Hole Oceanographic Institution

研究人员发现,气候预测可能会偏离5年。

海洋的“生物泵”描述了许多海洋过程,从大气中吸收二氧化碳并将其输送到海洋深处,在那里它可以保持隔绝几个世纪。这个海洋泵是大气二氧化碳的强大调节器,是任何全球气候预测的重要组成部分。

但是一项新的麻省理工学院研究指出,在当今的气候模型中,生物泵的表现方式存在很大的不确定性。研究人员发现,用于计算泵强度的“黄金标准”方程的误差幅度比以前认为的要大,而且海洋将向不同深度输送多少大气碳的预测误差可能在百万分之10到15之间。

考虑到目前全球每年向大气中排放二氧化碳的速度约为百万分之2.5,该团队估计,新的不确定性将导致气候目标预测出现大约5年的误差。

麻省理工学院地球、大气和行星科学系的研究科学家乔纳森•劳德代尔(Jonathan Lauderdale)说:“如果我们想把巴黎协定设定的升温幅度控制在1.5度以内,这个更大的误差条可能至关重要。”“如果目前的模型预测我们到2040年才能减少碳排放,那么我们就扩大了不确定性,可以说我们现在可能要到2035年,这可能是相当大的一件事。”

劳德代尔和前麻省理工学院研究生、现供职于英国南安普顿国家海洋学中心的B.B. Cael今天在该杂志上发表了他们的研究《地球物理研究快报

海洋雪

当他们死亡时,Phytoplankton统称到水柱作为“海洋雪”,携带它们最初被吸收的碳。如图所示是通常构成沉没的海洋材料的白色薄片和颗粒。信用:©Wo​​ods Hole Oceanographic Institution

雪曲线

促进海洋生物泵的海洋过程从浮游植物开始,微观生物从大气中浸泡二氧化碳。当他们死去时,浮游植物汇集了水柱作为“海洋雪”,携带碳。

“这些颗粒像白色的冰雪一样下雨,这是从表面海洋中脱离的所有死东西,”劳德代尔说。

在各种深度,颗粒被微生物消耗,其将颗粒的有机碳转化为在称为再矿化的过程中以无机,矿物形式的无机矿物形式呼吸到深海中。

在20世纪80年代,研究人员在整个热带太平洋的不同地点和深度收集了海洋雪。根据这些观察,他们生成了一个简单的幂次定律数学关系——马丁曲线,以团队成员约翰·马丁的名字命名——来描述生物泵的强度,以及海洋在不同深度可以再矿物化和隔离多少碳。

劳德代尔说:“马丁曲线无处不在,它确实是[当今许多气候模型中使用的]黄金标准。”

但在2018年,凯尔和合著者凯尔西·比森(Kelsey Bisson)表示,用来解释马丁曲线的幂次定律并不是唯一符合观测结果的方程。幂律是一种简单的数学关系,它假设粒子随着深度下降得更快。但凯尔发现,其他几种基于海洋雪下沉和再矿化的不同机制的数学关系也可以解释这些数据。

例如,一种替代方案假设无论深度,颗粒以相同的速率下降,而另一个人假定具有重质,较低的植物壳的颗粒比那些更快地跌落。

劳德代尔说:“他发现你无法分辨哪条曲线是正确的,这有点麻烦,因为每条曲线背后都有不同的机制。”“换句话说,研究人员可能使用了‘错误的’功能来预测生物泵的强度。这些差异会像滚雪球一样影响气候预测。”

一条曲线,重新考虑

在新的研究中,劳德代尔和凯尔看着在海洋中储存的碳估计,如果改变了生物泵的数学描述,它将估计有多大差异。

他们从Cael之前研究过的六个替代方程或再矿化曲线开始。该团队研究了气候模型对大气二氧化碳的预测,如果它们是基于这六种选择中的任何一种,与马丁曲线的幂律相比,会发生怎样的变化。

为了使比较在统计上尽可能相似,他们首先将每个备选方程与马丁曲线拟合。马丁曲线描述了有多少海洋雪通过海洋到达不同的深度。研究人员将曲线上的数据点输入到每个备选方程中。然后,他们在MITgcm中运行每个方程,MITgcm是一个模拟大气和海洋之间二氧化碳通量的一般环流模型。

该团队及时运行了气候模型,看看生物泵的每个替代方程如何改变了大气中二氧化碳模型的模型,而与马丁曲线的权力法相比。他们发现海洋能够从气氛中汲取和螯合的碳的量广泛变化,这取决于它们使用的生物泵的数学描述。

“令人惊讶的部分是,由于不同的曲线而使剩余物化或海洋雪的数量的甚至是不同深度的甚至可能导致大气二氧化碳的显着变化,”劳德代尔说。

结果表明,海洋的泵送强度,以及决定海洋降雪速度的过程,仍然是一个悬而未决的问题。

“我们肯定需要更多地测量海洋雪来分解发生的机制,”劳德代尔代表。“因为可能所有这些过程都是相关的,但我们真的想知道哪个是推动碳封存。”

参考:Jonathan Maitland Lauderdale和B. B.Cael的参考文献:“再矿化曲线形状对空中碳平衡的影响”。2021年4月5日,《地球物理研究快报
DOI:10.1029 / 2020G1091746

这项研究部分得到了国家科学基金会、海洋生态系统计算生物地球化学建模西蒙斯合作组织和英国国家环境研究委员会的支持。

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