Swoją poetycką nazwę „morski śnieg” zawdzięcza nieregularnym, płatkowatym kształtom drobin, które w świetle reflektorów łodzi podwodnych mogą przypominać wirujące śnieżynki.
Dlaczego ten podwodny opad jest tak ważny dla całej planety? Odpowiedź kryje się w globalnym obiegu węgla i regulacji ziemskiego klimatu.
Na powierzchni oceanu żyją mikroskopijne organizmy, które w procesie fotosyntezy wiążą dwutlenek węgla. Kiedy obumierają, ich szczątki łączą się z innymi drobinami i jako „morski śnieg” ruszają w kierunku głębszych warstw wody oraz dna morskiego. W ten sposób część węgla zostaje przeniesiona w głąb oceanu.
Zrozumienie, jak szybko i w jakiej ilości opada, ma znaczenie dla tworzenia dokładniejszych modeli klimatycznych.
Temu złożonemu zagadnieniu przyjrzeli się naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Ich najnowsze analizy, opublikowane w czasopiśmie Journal of Fluid Mechanics, pokazują, jak fizyka płynów pomaga opisać mechanikę tego podwodnego zjawiska.
Jak opada płatek w głębinie?
Sercem całego procesu transportu węgla jest sedymentacja, czyli po prostu opadanie cząstek pod wpływem grawitacji w środowisku płynnym. Choć z pozoru wydaje się ono prostym ruchem w dół, w rzeczywistości dynamika morskiego śniegu w toni oceanicznej jest niebywale złożona i trudna do przewidzenia.
Płatki materii organicznej nie są idealnymi, gładkimi kulkami, lecz mają skomplikowaną, postrzępioną strukturę. W trakcie swojej podróży w głębiny cząstki te nieustannie zmieniają swoje fizyczne właściwości.
Zderzają się ze sobą, łączą w większe, cięższe agregaty lub pod wpływem turbulencji i prądów wodnych rozpadają się na mniejsze fragmenty. Te ciągłe metamorfozy bezpośrednio wpływają na ich prędkość tonięcia.
Większe skupiska zwykle opadają szybciej, dzięki czemu węgiel może sprawniej trafiać do głębszych warstw oceanu. Mniejsze drobinki opadają wolno i mogą zostać ponownie rozpuszczone lub zjedzone przez morskie bakterie, zanim osadzą się na dnie.
Dla naukowców kluczowe stało się więc precyzyjne ustalenie, jak często dochodzi do takich kolizji i jak dokładnie przebiega ich wewnętrzna dynamika.
– Z punktu widzenia klimatu modele matematyczne morskiego śniegu służą nam przede wszystkim do określenia, jak duży strumień cząstek organicznego węgla trafia na dno mórz i oceanów. Kiedy taki węgiel znajdzie się w głębi, powolna cyrkulacja oceaniczna sprawia, że przez setki lub tysiące lat może pozostawać uwięziony i nie wraca szybko do atmosfery – mówi dr hab. Maciej Lisicki, prof. UW z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.
Zjawisko to jest częścią biologicznej pompy węglowej, czyli procesu, dzięki któremu oceany przenoszą część węgla z powierzchni do głębszych warstw. Aby lepiej opisywać ten mechanizm w modelach, naukowcy muszą wiedzieć nie tylko, ile cząstek opada, ale też co dzieje się z nimi po drodze.
– W najnowszej pracy skupiliśmy się na określeniu, jak często cząstki morskiego śniegu w głębi oceanu mogą się ze sobą zderzać. Takie zderzenia mogą prowadzić do agregacji, czyli łączenia się cząstek w większe struktury, a to zmienia prędkość ich opadania i tempo całego procesu – wyjaśnia badacz.
Badacze nie śledzili pojedynczych płatków morskiego śniegu w oceanie, lecz odtworzyli ten proces w języku fizyki i matematyki. Przyjęli model opadającej cząstki zanurzonej w wodzie i opisali, jak wokół niej poruszają się mniejsze obiekty: jedne niesione przepływem, inne dodatkowo wykonujące chaotyczne ruchy dyfuzyjne.
Następnie porównali swoje przewidywania z klasycznymi, uproszczonymi modelami, stosowanymi do tej pory w literaturze. Dzięki temu mogli sprawdzić, kiedy popularne modele dobrze przewidują częstość zderzeń, a kiedy zaczynają ją wyraźnie zaniżać.
Takie uproszczenia przez lata porządkowały myślenie o tym procesie. Kiedy myślimy o małych cząstkach, dominujący mechanizm ich spotkań z większymi „śnieżynkami” to chaotyczne ruchy Browna, czyli przypadkowe, mikroskopijne drgania drobin, potrącanych przez cząsteczki wody, będące w ciągłym ruchu termicznym.
W przypadku większych (ale wciąż maleńkich!) cząstek, możemy wyobrażać sobie ich zderzenia w sposób, do jakiego jesteśmy przyzwyczajeni w skali makroskopowej – szybciej opadająca cząstka po prostu „zgarnia” mniejsze obiekty ze swojej drogi. Ocean rzadko jest jednak tak prosty.
– Morski śnieg jest niesłychanie różnorodny. Jego cząstki mają różne rozmiary, gęstości, kształty, porowatość i prędkości opadania. Jednocześnie zderzają się z bakteriami, organicznymi żelami, planktonem i innymi drobinami, które same mogą dyfundować albo unosić się w przepływie. Nasza praca pokazuje, że nawet tam, gdzie spodziewalibyśmy się dominacji prostego „zgarniania”, dyfuzja nadal może istotnie zwiększać liczbę zderzeń. Pominięcie jednego z tych procesów może prowadzić do dużego niedoszacowania liczby kolizji – dodaje dr hab. Maciej Lisicki.
Nowy opis pozwala więc połączyć w jednym modelu procesy, które wcześniej często analizowano osobno. Dzięki temu można dokładniej oszacować, jak często cząstki morskiego śniegu spotykają się i zderzają w toni, a więc lepiej opisać jeden z mechanizmów decydujących o ich dalszym opadaniu.
Co z tego wynika dla modeli klimatu?
Znaczenie tych badań nie polega na tym, że od razu dają gotową odpowiedź na pytanie, jak zmieni się klimat. Ich rola jest bardziej podstawowa: pomagają lepiej opisać jeden z mechanizmów, które później trafiają do większych modeli obiegu węgla w oceanie.
– Nasza praca dotyczy elementarnego, mikroskopowego procesu: jak często cząstki morskiego śniegu zderzają się z innymi małymi obiektami podczas opadania. Droga do globalnych modeli klimatycznych jest daleka ze względu na ich ogromną złożoność, więc nie ma tu bezpośredniego przełożenia. Analizowany przez nas proces jest jednak jednym z klocków budujących większe modele obiegu węgla w oceanie – mówi dr hab. Maciej Lisicki, prof. UW.
Jak wyjaśnia badacz, od takich zderzeń zależy dalszy los cząstek: czy urosną, zwolnią, zostaną skolonizowane przez mikroorganizmy, zaczną szybciej się rozkładać albo rozpadną się na mniejsze fragmenty.
To z kolei wpływa na ilość węgla transportowanego z powierzchni oceanu do głębszych warstw. Im dokładniej naukowcy opiszą ten proces, tym lepiej będzie można szacować, jaka część węgla zostaje zatrzymana w głębi oceanu na dłużej, a jaka szybciej wraca do obiegu i może pośrednio wpływać na stężenie dwutlenku węgla w atmosferze.
– Najbardziej konkretny wynik naszej pracy jest taki: pokazujemy, że w pewnych istotnych fizycznie sytuacjach wcześniejsze uproszczenia mogły zaniżać częstość zderzeń nawet o dwa rzędy wielkości, a więc około stu razy. Proponujemy również metodę łączenia głównych mechanizmów zderzeń, która daje wynik zgodny z symulacjami z błędem nieprzekraczającym kilkunastu procent. To informacja bezpośrednio przydatna dla twórców modeli biogeochemicznych: mogą zastąpić bardzo uproszczone mechanizmy lepiej uzasadnionym modelem zderzeń – dodaje fizyk z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.
Skala tego niedoszacowania może być zaskakująca. W jednym z analizowanych przykładów, dla cząstki o promieniu około 300 mikrometrów, opadającej z prędkością około 100 metrów na dobę, model nieuwzględniający dyfuzji zaniżał częstość spotkań z bardzo małymi cyjanobakteriami nawet 200 razy. Tego typu scenariusze zderzeń są realistyczne i powszechne w środowisku morskim i właśnie do nich stosują się nowe wyniki naukowców.
Badania były możliwe dzięki finansowaniu ze środków zagranicznych i krajowych, w tym w ramach grantu Swiss NSF Ambizione oraz grantu Narodowego Centrum Nauki Sonata Bis.
