В 2020 году ученые изучали влияние питательных веществ, морских организмов и железа на рост фитопланктона. Фитопланктон — это микроскопические, похожие на растения организмы, живущие на поверхности океана. Они питаются углеродом и другими питательными веществами, поднимающимися из глубин, а также железом. Чем больше фитопланктонов, тем больше CO₂ поглощается из атмосферы. Этот процесс играет важную роль в океаническом поглощении углерода. Считалось, что искусственное внесение в океан железа стимулирует рост фитопланктона.
Ученые разработали модель, которая делила океан на условные области (боксы), каждая из которых характеризовалась своим балансом питательных веществ, железа и лигандов — органических молекул, предположительно продуктов жизнедеятельности фитопланктона. Модель имитировала потоки воды между боксами, отражая тем самым циркуляцию океана — процесс погружения более холодных слоев воды и подъема к поверхности более теплых в разных его частях. Моделирование показало, что на самом деле искусственное внесение железа не увеличивает общее количество фитопланктона в океане. Железо в чистом виде нерастворимо в морской воде и недоступно для планктона. Для его усвоения требуются лиганды. Добавление железа в один регион «отнимает» лиганды у других, ограничивая там рост фитопланктона.
Затем в модель добавили обмен углеродом между океаном и атмосферой, а также расширили сами боксы, чтобы учесть более разнообразные условия среды — Тихий океан, Северная Атлантика и Южный Ледовитый океан. Ученые запустили модель с разной интенсивностью циркуляции, ожидая, что при ослаблении перемешивания водных масс (опрокидывания) содержание CO₂ в атмосфере будет снижаться, как предсказывалось ранее. Однако результаты оказались другими: чем слабее была циркуляция океана, тем больше углекислого газа накапливалось в атмосфере.
Оказалось, что параметр, описывающий лиганды в океане, был оставлен как переменная величина. Другими словами, модель рассчитывала концентрацию молекул как изменяющуюся в разных регионах океана. Ученые отключили этот параметр и установили постоянную концентрацию лигандов во всех смоделированных океанских средах. Всего одно изменение перевернуло тенденцию: более слабая циркуляция вела к снижению атмосферного CO₂. Обратившись к данным программы GEOTRACES, ученые подтвердили, что концентрация океанических лигандов варьируется, а не является постоянной. Поэтому неожиданный результат, связывающий ослабление циркуляции с ростом CO₂ в атмосфере, отражает реальную картину океана.
Чем слабее циркуляция океана, тем меньше углерода и питательных веществ океан вытягивает из глубины. В результате у фитопланктона на поверхности остается меньше ресурсов для роста и, как следствие, производится меньше побочных продуктов, включая лиганды. При меньшем количестве доступных лигандов меньше железа на поверхности будет пригодно для использования, что еще больше сократит популяцию фитопланктона. Из-за сокращения численности фитопланктон поглощает меньше углекислого газа из атмосферы и меньше углерода из глубин океана.
Таким образом, слабая циркуляция океана создает замкнутый цикл, ограничивающий рост фитопланктона. Это может стать серьезной проблемой, поскольку океан не только будет поглощать меньше антропогенного CO₂, но и начнет выделять больше углерода из глубин, что приведет к непредвиденному увеличению содержания углекислого газа в атмосфере и дополнительному потеплению климата.
Эта модель имеет вполне прикладной смысл. По некоторым прогнозам, океаническая циркуляция замедлится на 30% из-за таяния ледяных щитов, особенно вокруг Антарктики. И теперь ученые знают, что неизбежно произойдет дальше.
