Esta atracação da NOAA na costa de Washington carrega uma variedade de sensores relacionados ao carbono. Fassbender gostaria de aumentá-los com um novo instrumento que ela e outros pesquisadores estão desenvolvendo. Crédito:Richard Feely, NOAA PMEL
Como tempestades desastrosas, inundações, e os incêndios se tornam mais comuns nos EUA e em outros lugares, os humanos estão apenas começando a avaliar alguns dos impactos do aquecimento global. Mas esses impactos seriam muito piores se o oceano não tivesse absorvido cerca de 45% do dióxido de carbono que os humanos liberaram desde o início da revolução industrial. Embora os cientistas saibam há muito tempo que os oceanos estão absorvendo uma grande quantidade de dióxido de carbono, os detalhes desse processo ainda são confusos. O químico marinho do MBARI Andrea Fassbender está tentando enfocar esse processo estudando quando, Onde, e como o carbono se move entre a atmosfera, oceano superior, e mar profundo.
Os fundamentos desse processo de ciclo do carbono são relativamente bem compreendidos. Quando as concentrações de dióxido de carbono são maiores na atmosfera do que nas águas superficiais do oceano, o dióxido de carbono da atmosfera se dissolverá no oceano. Parte desse dióxido de carbono é usado por algas microscópicas que incorporam carbono em seus corpos à medida que crescem e se reproduzem nas águas superficiais iluminadas pelo sol.
Quando as algas microscópicas são consumidas por animais e micróbios, o carbono em seus corpos é transferido para esses organismos, que carregam o carbono dentro de seus corpos ou o liberam como resíduo na água circundante. A maior parte desse carbono fica a cerca de 100 metros da superfície do mar, onde pode facilmente retornar à atmosfera, especialmente durante os meses de inverno, quando as águas do oceano estão mais agitadas e a concentração de algas é menor.
Contudo, uma quantidade pequena, mas vitalmente importante, desse carbono afunda em águas mais profundas, centenas a milhares de metros abaixo da superfície do mar. Parte desse carbono é transportado para as profundezas na forma de neve marinha - pequenas partículas de algas e animais mortos, material residual, e muco. Quanto mais para baixo este carbono afunda, mais tempo é provável que fique armazenado no oceano antes de entrar em contato com a atmosfera novamente.
Se o carbono afundar o suficiente para que seja improvável que seja levado de volta à superfície pela mistura de inverno, considera-se que foi exportado das águas superficiais. Se o carbono atingir profundidades nas quais é improvável que seja levado de volta à superfície por centenas de anos ou mais, é considerado sequestrado no fundo do mar.
Os oceanógrafos chamam esse processo de transporte vertical de carbono de bomba biológica, e está no centro de grande parte da pesquisa de Fassbender. Embora o conceito geral da bomba biológica seja relativamente simples, os detalhes são extremamente complicados e envolvem muitos produtos químicos inter-relacionados, biológico, e processos físicos, que variam de um lugar para outro e ao longo das escalas de tempo que variam de minutos a milênios. A bomba biológica também é um componente importante nos modelos de computador que os cientistas usam para prever o aquecimento global.
Para entender completamente a bomba biológica, oceanógrafos precisam medir o carbono no oceano em todas as suas várias formas, Incluindo:
Durante o ano passado, Fassbender esteve ativamente envolvido em uma série de projetos de pesquisa e publicações com foco no ciclo do carbono no oceano, com ênfase na bomba de carbono biológico e nos processos que controlam como os oceanos absorvem o carbono gerado pelo homem. O texto a seguir descreve parte desse trabalho inovador.
A importância das estações no mar
Em setembro de 2018, Fassbender publicou um artigo de pesquisa em Ciclos biogeoquímicos globais que destacou a importância das mudanças sazonais nas concentrações de dióxido de carbono em diferentes partes do oceano.
O gás dióxido de carbono é mais solúvel em água fria do que em água quente. Como resultado, o aquecimento sazonal das águas superficiais durante a primavera e o verão aumenta a pressão parcial do gás dióxido de carbono na água do mar (a pressão parcial de um gás está diretamente relacionada à sua concentração). Contudo, algas microscópicas crescem rapidamente durante a primavera e o verão, consumindo dióxido de carbono. Em alguns ambientes, isso neutraliza o efeito do aquecimento das águas.
Como o gás dióxido de carbono é mais solúvel em água fria, o resfriamento sazonal do oceano durante o inverno faz com que a pressão parcial do gás dióxido de carbono diminua. Além disso, a turbulência das tempestades de inverno traz águas profundas, rico em dióxido de carbono, em direção à superfície durante o inverno, que funciona para combater a influência da água mais fria.
Esses processos são comuns a todas as regiões do oceano, mas seu tempo e magnitude podem diferir de um lugar para outro, resultando em ciclos sazonais únicos de dióxido de carbono nas águas superficiais.
Como resultado dos processos descritos acima, áreas oceânicas de alta latitude normalmente absorvem dióxido de carbono da atmosfera durante os meses de primavera e verão devido à atividade biológica e liberam dióxido de carbono para a atmosfera durante o outono e inverno como resultado de uma mistura profunda.
Em áreas de baixa latitude (mais perto do equador), mudanças sazonais na temperatura da água ditam em grande parte as variações de dióxido de carbono na superfície do oceano. O resultado é que essas áreas tendem a ter maiores pressões parciais de gás dióxido de carbono durante o verão e valores mais baixos no inverno.
O artigo recente de Fassbender mostrou que o carbono gerado pelo homem entrando nos oceanos irá alterar esses ciclos sazonais, por exemplo, amplificando os extremos sazonais de uma maneira assimétrica. Por exemplo, algumas regiões podem apresentar maior crescimento no máximo no verão do que no nível mínimo de dióxido de carbono no inverno ao longo do tempo, causando um aumento geral na gama de variações sazonais do dióxido de carbono.
Essa descoberta tem implicações importantes sobre como a absorção de carbono pelos oceanos pode mudar no futuro. Adicionalmente, sugere que os cientistas precisam fazer observações abrangendo todo o ano para estimar com precisão as tendências de longo prazo no conteúdo de gás de dióxido de carbono do oceano na superfície, porque as tendências durante o inverno e o verão podem não ser as mesmas.
Reunindo pesquisadores de campo e modeladores
Embora os cientistas definitivamente precisem de mais medições de carbono no inverno em áreas de alta latitude do oceano, existem muitas outras áreas oceânicas onde os detalhes do ciclo do carbono não são bem compreendidos. Por exemplo, as chamadas "correntes de fronteira oeste, "como a Corrente do Golfo no noroeste do Atlântico e a Corrente Kuroshio no noroeste do Pacífico, são de vital importância no transporte de calor e carbono ao redor do oceano mundial.
No outono de 2017, Fassbender co-organizou um workshop no MBARI onde pesquisadores de campo e especialistas em modelagem de computador puderam discutir o ciclo do carbono nas correntes de fronteira oeste. Os objetivos principais do workshop eram reunir cientistas observacionais e modeladores para comparar suas descobertas e propor métodos para preencher as lacunas no entendimento dos cientistas dessas áreas. Eles estavam particularmente interessados em coletar novos dados que irão melhorar os modelos de computador do ciclo do carbono nos oceanos.
O workshop foi co-patrocinado pelo Programa de Previsibilidade e Variabilidade Climática dos EUA (CLIVAR) e o Programa de Carbono e Biogeoquímica dos EUA. Após o workshop, Fassbender e colegas compilaram e editaram um relatório que resume as principais questões e recomendações relacionadas ao ciclo do carbono nas correntes de fronteira oeste, que foi publicado em agosto de 2018 e apresentado ao US CLIVAR Inter-Agency Group em outubro de 2018.
Melhorar as estimativas baseadas em satélite de atualização de carbono oceânico
A NASA está adotando outra abordagem para o desafio global, todo o ano, monitoramento do carbono oceânico. Ao mesmo tempo em que seu artigo recente foi publicado na Global Biogeochemical Cycles, Fassbender e outros pesquisadores do MBARI estiveram envolvidos em um grande experimento de campo chamado Processos de Exportação no Oceano por Sensoriamento Remoto (EXPORTS), que foi financiado pela NASA e pela National Science Foundation.
Durante o cruzeiro de pesquisa EXPORTS de verão de 2018, dois grandes navios de pesquisa oceanográfica e cientistas de mais de 15 equipes de projeto e várias instituições de pesquisa dos EUA dirigiram-se ao Pacífico Norte para coletar dados sobre a bomba biológica, usando uma ampla gama de instrumentos de laboratório de última geração, sensores e robôs autônomos, e satélites.
Os satélites fornecem um longo prazo, visão global do oceano. Contudo, sensores baseados em satélite, em geral, observe apenas as camadas superiores do oceano. Assim, um objetivo principal do experimento EXPORTS foi descobrir os detalhes da bomba biológica e sua relação com as propriedades ópticas na coluna de água (que podem ser observadas por satélites). Isso significava cavar no físico, químico, e processos biológicos envolvidos na bomba biológica.
Ao aprender mais sobre os mecanismos envolvidos na bomba biológica, os pesquisadores esperam melhorar as estimativas baseadas em satélite de quanto carbono é exportado para o mar profundo. Ao comparar as observações de superfície e subsuperfície no Pacífico Norte (bem como no Atlântico Norte durante um segundo experimento em 2020), Pesquisadores financiados pela NASA e pela NSF desenvolverão métodos melhores para usar observações de satélite para estudar o ciclo do carbono marinho.
Durante a experiência EXPORTS, Fassbender e seus colegas usaram robôs, flutuantes da química do oceano à deriva, e outros instrumentos automatizados para medir processos físicos e biológicos no Nordeste do Pacífico, tanto na superfície quanto nas profundezas. Os flutuadores vão ficar no mar por anos a fio, permitindo que Fassbender e seus colegas estimem quanto carbono é armazenado em diferentes profundidades do oceano e em diferentes épocas do ano. A equipe está apenas começando a analisar os dados desses instrumentos.
Acidificação do oceano no noroeste do Pacífico
Todos os projetos listados acima mostram a importância de coletar novos dados que mostrem como a química do carbono no oceano muda ao longo do ano. Mas Fassbender também está interessado em medições históricas e tendências de longo prazo na química do carbono, incluindo o processo de acidificação do oceano.
A acidificação do oceano ocorre quando o dióxido de carbono se dissolve nas águas superficiais do oceano, diminuindo a concentração de íons carbonato, e fazendo com que a água do mar se torne mais ácida. Em julho de 2018, Fassbender e seus colegas publicaram um artigo na Earth System Science Data que se concentrou na acidificação dos oceanos ao redor do estado de Washington - uma área onde a indústria de moluscos costeiros já pode estar sofrendo os impactos das mudanças na química dos oceanos.
Na preparação deste artigo, Fassbender e seus co-autores reuniram e analisaram praticamente todos os dados históricos e existentes sobre a química do carbono para esta região - cerca de 100, 000 medições ao todo. Isso incluiu dados históricos de "atlas oceânicos", bem como dados de navios de pesquisa, monitoramento de bóias, e experimentos de campo.
Este estudo foi único porque forneceu informações de base modernas sobre a variabilidade sazonal de vários dados sobre o carbono oceânico em toda a região - informações que não existiam anteriormente. Esses dados de carbono incluíram o pH da água do mar superficial (acidez), dióxido de carbono, carbono inorgânico dissolvido, alcalinidade total, e o estado de saturação da aragonita (um mineral que constitui as conchas de muitos organismos marinhos). Os dados compilados servirão como uma referência valiosa que ajudará os cientistas a detectar mudanças na química da água do mar nesta região nos próximos anos e décadas.
Além de fornecer uma linha de base, ou noção do que é atualmente normal nas águas oceânicas do estado de Washington, a pesquisa destacou as principais diferenças na química do carbono entre as águas semifechadas de Puget Sound e o oceano Pacífico aberto. Por exemplo, os dados mostraram que a variação sazonal na acidez da superfície da água do mar no Canal Hood é cerca de 27 vezes maior do que nas águas do oceano aberto ao largo de Washington.
Este achado indica que algas e animais que vivem nas águas protegidas do noroeste do Pacífico estão expostos a mudanças sazonais muito maiores na acidez (além de todas as outras variáveis do sistema carbonático avaliadas) do que aqueles que vivem em águas oceânicas próximas.
O futuro automatizado das medições da química do oceano
Nos dias de hoje, Fassbender está continuando seu trabalho no ciclo do carbono em várias frentes. Durante 2019, ela espera desenvolver um novo instrumento químico de carbono para uso em bóias oceânicas e robôs de superfície que podem permanecer no mar por meses a fio e atravessar grandes áreas do oceano. Fassbender está trabalhando com vários engenheiros da MBARI neste projeto, bem como pesquisadores da Administração Oceânica e Atmosférica Nacional (NOAA) e da Universidade do Havaí.
Um de seus objetivos é instalar o novo instrumento nas bóias de monitoramento climático da NOAA. Os instrumentos existentes nessas bóias medem o dióxido de carbono na atmosfera e na superfície do oceano, e algumas bóias também são equipadas com sensores de pH. O novo instrumento mede o carbono inorgânico dissolvido, além do dióxido de carbono, fornecendo aos cientistas novas informações sobre a absorção de carbono do oceano e mudanças na química do oceano.
Em um nível global, Fassbender observa que, nos últimos 10 anos, um esforço concentrado para expandir e compilar observações anuais de observações de dióxido de carbono na superfície do oceano já deu aos cientistas uma maior compreensão de quanto carbono se move entre o oceano e a atmosfera a cada ano. Ela espera que, ao desenvolver novos instrumentos e distribuí-los em plataformas ao redor do mundo, ela e seus colegas pesquisadores obterão informações valiosas sobre os detalhes mais sutis do ciclo do carbono em regiões oceânicas remotas. Isto por sua vez, ajudará a melhorar os modelos de computador críticos que os cientistas usam para prever o clima futuro na Terra.
