Dentro il Vortice: Svelato il Segreto del Bilancio di Carbonio e Ossigeno Oceanico

Avete mai pensato a come l’oceano, questo gigante blu che copre gran parte del nostro pianeta, riesca a “respirare” e a gestire l’enorme quantità di anidride carbonica (CO2) che assorbe dall’atmosfera? È un processo fondamentale per regolare il nostro clima, e una delle chiavi è la cosiddetta “pompa biologica del carbonio” (BCP). Immaginate alghe microscopiche, il fitoplancton, che come piccole piante usano la luce solare per trasformare la CO2 in materia organica (carbonio organico particolato, o POC). Una parte di questo carbonio poi affonda verso le profondità oceaniche, nutrendo la vita negli abissi e, soprattutto, sequestrando quel carbonio lontano dall’atmosfera per lunghi periodi.

Questo affondamento passivo di particelle (come aggregati di fitoplancton morto o feci di organismi marini) è noto come “pompa biologica gravitazionale” (BGP) ed è il motore principale della BCP. Ma non è l’unico meccanismo; anche processi fisici come la subduzione di masse d’acqua possono dare una mano importante. Capire come funzionano queste pompe è cruciale, non solo per il clima ma anche per la salute degli ecosistemi marini.

Il Mistero del Carbonio Mancante

C’è però un problema che ci assilla da tempo: quando andiamo a misurare quanto carbonio arriva nella zona mesopelagica (quella fascia d’acqua tra i 200 e i 1000 metri di profondità), spesso scopriamo che è meno di quanto ne servirebbe per sostenere la vita che lì prospera. È come se mancasse del “cibo” all’appello! Questo squilibrio tra l’offerta di carbonio e la domanda metabolica degli organismi mesopelagici è un vero rompicapo.

In questo scenario, entra in gioco anche l’ossigeno. La respirazione, sia degli organismi che dei microbi che decompongono la materia organica, consuma carbonio e ossigeno. Quindi, l’offerta di carbonio, la domanda di carbonio e il consumo di ossigeno sono strettamente legati. Misurare il consumo di ossigeno nel mesopelagico potrebbe aiutarci a capire meglio il bilancio del carbonio, ma è difficilissimo: i cambiamenti sono lenti e richiedono osservazioni lunghissime.

Un’altra sfida enorme è che l’oceano è un sistema dinamico, tutto si muove continuamente. Studiare un processo in un punto fisso (approccio Euleriano) è come cercare di capire la vita di una città osservando solo un incrocio. Per capire davvero cosa succede a una “zolla” d’acqua mentre viaggia, dobbiamo seguirla nel suo percorso: questo è l’approccio Lagrangiano.

Seguire la Corrente: La Nostra Missione nel Vortice

Ed è qui che entrano in scena i vortici oceanici (o “eddies”). Queste enormi strutture rotanti, larghe decine o centinaia di chilometri, che possono durare settimane o mesi, sono come delle “pentole a pressione” oceaniche. Possono intrappolare acqua e particelle al loro interno, isolandole dall’ambiente circostante. Questo li rende candidati perfetti per studiare i processi biogeochimici in modo Lagrangiano, seguendo la stessa massa d’acqua per molto tempo.

Ecco perché abbiamo deciso di intraprendere un’avventura scientifica unica: abbiamo rilasciato un nostro esploratore robotico super equipaggiato, un galleggiante biogeochimico Argo (BGC Argo) dotato di una speciale telecamera per particelle (Underwater Vision Profiler 6, UVP6), proprio nel cuore di un vortice ciclonico nel sistema di upwelling del Benguela, al largo delle coste sudafricane. Questa regione è famosa per la sua intensa attività di vortici.

Il nostro obiettivo? Seguire questo vortice per mesi, come detective privati dell’oceano, per osservare da vicino e in dettaglio la sua dinamica fisica e biogeochimica, misurando temperatura, salinità, ossigeno, clorofilla e, grazie all’UVP6, contando e misurando le particelle sospese nell’acqua. Volevamo capire come funzionasse il bilancio del carbonio e dell’ossigeno *all’interno* di questa struttura mobile.

Un Viaggio Durato Mesi Dentro il Ciclone

Il nostro galleggiante è rimasto intrappolato nel vortice prescelto (che abbiamo chiamato Eddy 1) per ben cinque mesi, da aprile a settembre 2021! Abbiamo programmato le sue immersioni (fino a 1000 metri) e la sua profondità di “parcheggio” (300 metri) per assicurarci che rimanesse il più possibile vicino al centro del vortice. E ci siamo riusciti! Il galleggiante ha seguito fedelmente Eddy 1 nel suo viaggio verso ovest, fornendoci dati ad altissima risoluzione.

Abbiamo osservato cose affascinanti. Innanzitutto, Eddy 1 non era un vortice “normale”. I dati di temperatura, salinità e densità suggerivano che fosse un ciclone intensificato in profondità, con un nucleo freddo e denso situato tra i 200 e i 600 metri circa. Ancora più interessante, abbiamo notato che le isopicnali (le superfici a densità costante) all’interno del nucleo del vortice si stavano approfondendo nel tempo. In pratica, l’intero nucleo del vortice stava lentamente sprofondando mentre si spostava verso ovest! Questo fenomeno di “inabissamento” è stato confermato anche dall’abbassamento della profondità dell’anomalia di temperatura più forte.

Durante il viaggio, Eddy 1 ha anche incontrato un altro ciclone (Eddy 2) e, tra agosto e settembre, i due si sono fusi! Questo evento di fusione ha ovviamente rimescolato un po’ le carte, modificando la struttura e l’evoluzione del vortice risultante (Eddy 1+2).

Dal punto di vista biologico, abbiamo monitorato la clorofilla (un indicatore della presenza di fitoplancton) e la profondità critica di Sverdrup (la profondità limite per la crescita del fitoplancton). Abbiamo visto una diminuzione della clorofilla dopo maggio, forse a causa dell’approfondirsi dello strato misto superficiale e del fatto che la profondità critica diventava meno favorevole.

Grazie all’UVP6 e ai sensori di backscattering (bbp), abbiamo potuto stimare la concentrazione di Carbonio Organico Particolato (POC) a diverse dimensioni: dalle particelle submicrometriche rilevate dal bbp (bbpPOC), alle particelle micrometriche (MiP, 0.1-0.5 mm) e macroscopiche (MaP, 0.5-16 mm) viste dall’UVP6. Abbiamo scoperto che la maggior parte del POC era costituita da particelle molto piccole (bbpPOC), ma che le particelle micrometriche (MiP) erano particolarmente abbondanti in uno strato tra 350 e 500 metri all’inizio della nostra osservazione.

Il Bilancio Che (Forse) Torna: Carbonio, Ossigeno e Particelle

Armati di tutti questi dati raccolti “seguendo la corrente”, ci siamo concentrati sul periodo prima della fusione dei vortici (aprile-luglio 2021), quando Eddy 1 era una struttura relativamente isolata e in fase di inabissamento. Abbiamo cercato di chiudere quel famoso bilancio tra carbonio fornito, carbonio consumato e ossigeno respirato all’interno del nucleo del vortice.

Abbiamo stimato:

• Il flusso di POC verso il basso (la nostra BGP interna al vortice), calcolato combinando l’abbondanza di particelle misurate dall’UVP6 con la loro velocità di affondamento stimata.
• Il tasso di respirazione associato alle particelle (PARR), usando modelli che legano la dimensione delle particelle e il loro contenuto di carbonio al tasso di remineralizzazione (cioè quanto velocemente vengono “mangiate” dai microbi).
• Il tasso di rimozione del POC (“bulk POC removal rate”), calcolato in modo Lagrangiano: abbiamo misurato quanto POC entrava e usciva da uno strato d’acqua (delimitato da isopicnali, per seguire la stessa massa d’acqua) e quanto ne variava lo stock all’interno dello strato nel tempo. La differenza ci dice quanto POC “scompare” a causa della respirazione.
• Il tasso di consumo di ossigeno, misurato direttamente dalla diminuzione dell’ossigeno disciolto all’interno degli strati isopicnali nel tempo.

Inizialmente, confrontando il tasso di rimozione del POC e il PARR (calcolati usando le particelle misurate, >0.102 mm e quelle stimate dal bbp, <0.025 mm) con il consumo di ossigeno, abbiamo ritrovato lo squilibrio: il consumo di ossigeno era molto più alto (5-7 volte) di quanto potesse essere spiegato dalla respirazione delle particelle che riuscivamo a "vedere" o stimare direttamente.

La Chiave Nascosta nelle Particelle “Invisibili”?

C’era però un “buco” nelle nostre osservazioni: la gamma di dimensioni tra 0.025 mm (limite superiore del bbp) e 0.102 mm (limite inferiore dell’UVP6). E se le particelle in questa fascia “invisibile” fossero importanti? Abbiamo fatto un’ipotesi audace: abbiamo provato a stimare l’abbondanza di queste particelle interpolando tra le misure del bbp e quelle dell’UVP6. È stata un’analisi di sensibilità, per vedere cosa sarebbe successo includendo anche questo pezzo mancante.

I risultati sono stati sorprendenti! Quando abbiamo ricalcolato il tasso di rimozione del POC e il PARR includendo queste particelle stimate, entrambi i valori sono aumentati significativamente. E la cosa più eccitante è che, sotto i 320 metri di profondità, questi nuovi tassi di consumo del carbonio diventavano statisticamente indistinguibili dal tasso di consumo dell’ossigeno che avevamo misurato! Sembrava che avessimo trovato un modo per far quadrare i conti, suggerendo che le particelle nella gamma 0.025-0.102 mm potrebbero giocare un ruolo molto più importante nel ciclo del carbonio mesopelagico di quanto pensassimo. Certo, l’incertezza legata a questa stima è alta, ma indica una strada promettente.

Una Nuova Pompa per il Carbonio: L’Inabissamento Completo del Vortice (FECSP)

Ma le sorprese non erano finite. Ricordate che avevamo osservato l’intero nucleo del vortice sprofondare? Questo ci ha fatto pensare: se il nucleo del vortice, carico di particelle di carbonio, sta affondando, non sta forse trasportando attivamente quel carbonio verso il basso, indipendentemente dalla velocità di affondamento delle singole particelle?

Abbiamo chiamato questo meccanismo la “pompa di inabissamento completo del nucleo del vortice” (Full Eddy Core Submergence Pump, o FECSP). È importante distinguerla dalla “pompa di subduzione dei vortici” già nota, che si riferisce all’affondamento di acqua ai margini dei vortici. Qui parliamo dell’intero nucleo che scende!

Abbiamo quantificato questo nuovo meccanismo di esportazione del carbonio per il nostro Eddy 1. Abbiamo moltiplicato la concentrazione media di POC nel nucleo del vortice (usando anche le particelle stimate tra 0.025-0.102 mm) per la velocità media di inabissamento del nucleo (circa 1.1 metri al giorno!) e per l’area superficiale media del vortice.

I risultati sono stati notevoli. A 450 metri di profondità, abbiamo stimato che la FECSP esportasse circa 239 tonnellate di carbonio al giorno. Nello stesso periodo e alla stessa profondità, la classica pompa biologica gravitazionale (BGP) ne esportava circa 647 tonnellate al giorno. Questo significa che, in questo specifico vortice molto energetico, la FECSP contribuiva per una quota compresa tra un quarto e la metà dell’esportazione totale di carbonio rispetto alla BGP! Un contributo decisamente non trascurabile.

È interessante notare che sia la BGP che la FECSP mostravano un massimo di esportazione intorno ai 400-500 metri, probabilmente a causa di quello strato ricco di particelle (Intermediate Particle Maximum) che avevamo osservato nel nucleo del vortice. Questo crea un profilo di esportazione del carbonio molto diverso dalla classica curva esponenziale (curva di Martin) che di solito si assume.

Cosa Significa Tutto Questo? Implicazioni e Prospettive Future

Questa nostra avventura Lagrangiana dentro un vortice ci ha regalato una visione unica e preziosa dei processi che regolano il carbonio e l’ossigeno nell’oceano profondo.

• Abbiamo dimostrato che, seguendo la stessa massa d’acqua, è possibile (con alcune ipotesi, specialmente sull’importanza delle particelle tra 0.025 e 0.102 mm) riconciliare il bilancio tra carbonio fornito, carbonio richiesto e ossigeno consumato nella zona mesopelagica, almeno nelle parti più profonde del nucleo del vortice.
• Abbiamo identificato e quantificato un nuovo meccanismo di esportazione del carbonio, la pompa di inabissamento completo del nucleo del vortice (FECSP), che può essere molto significativa, almeno in vortici energetici come quello che abbiamo studiato.
• Abbiamo evidenziato l’importanza critica della gamma di particelle tra 0.025 e 0.102 mm, un “buco” osservativo che dobbiamo assolutamente colmare con nuovi sensori e tecnologie per capire meglio il ciclo del carbonio.

Certo, il nostro studio si è concentrato su un singolo vortice, e per di più molto intenso. Quanto è rappresentativo il fenomeno della FECSP su scala globale? È una domanda aperta che richiederà molte più osservazioni e modelli. Sarà fondamentale studiare altri vortici, anche meno energetici, e capire quanto spesso avviene questo inabissamento.

Il futuro della ricerca in questo campo è eccitante: immaginate flotte di galleggianti Argo e droni sottomarini (glider) che lavorano insieme per mappare la struttura 3D dei vortici, magari equipaggiati con sensori capaci di “vedere” quella sfuggente gamma di particelle. Combinare queste osservazioni autonome con campagne oceanografiche mirate ci permetterà di svelare sempre più a fondo i segreti di queste affascinanti strutture oceaniche e il loro ruolo cruciale nel sistema climatico terrestre. Per ora, abbiamo aggiunto un nuovo, importante tassello al complesso puzzle della pompa biologica del carbonio.

Fonte: Springer