Curva de martin

La curva de Martin es una ley de potencia utilizada por los oceanógrafos para describir la exportación de carbono orgánico particulado (COP) al fondo del océano . La curva se controla con dos parámetros: la profundidad de referencia en la columna de agua y un parámetro de remineralización que es una medida de la velocidad a la que se atenúa el flujo vertical de COP. ^[1] Lleva el nombre del oceanógrafo estadounidense John Martin .

La curva de Martin se ha utilizado en el estudio del ciclo del carbono oceánico y ha contribuido a comprender el papel del océano en la regulación de los niveles de CO ₂ atmosférico .

La dinámica del depósito de carbono orgánico particulado (COP) en el océano es fundamental para el ciclo del carbono marino . El COP es el vínculo entre la producción primaria de la superficie , el océano profundo y los sedimentos marinos . La velocidad a la que se degrada el COP en el océano oscuro puede afectar la concentración atmosférica de CO2 _. [ ^2]

La bomba biológica de carbono (BCP) es un mecanismo crucial por el cual el CO2 atmosférico _es absorbido por el océano y transportado al interior del océano. Sin la BCP, la concentración atmosférica de CO2 preindustrial ₍ ~280 ppm) habría aumentado a ~460 ppm. ^[3] En la actualidad, se ha estimado que el flujo de carbono orgánico particulado (POC) desde la capa superficial del océano hasta el interior del océano es de 4-13 Pg-C año ⁻¹ . ^[4] Para evaluar la eficiencia de la BCP, es necesario cuantificar la atenuación vertical del flujo de POC con la profundidad porque cuanto más profundo se transporta el POC, más tiempo estará aislado el CO2 de la atmósfera. Por lo tanto, un aumento en la eficiencia de la BCP tiene el potencial de causar un aumento del secuestro de carbono oceánico _del CO2 atmosférico _que resultaría en una retroalimentación negativa sobre el calentamiento global. ^[5] Diferentes investigadores han investigado la atenuación vertical del flujo de POC desde la década de 1980. ^{[6] [7] [8] [9] [5]}

En 1987, Martin et al . propusieron la siguiente función de ley de potencia para describir la atenuación del flujo POC: ^[10]

${\displaystyle F_{z}=F_{100}\left({\frac {z}{100}}\right)^{-b}}$                 (1)

donde z es la profundidad del agua (m), y F _z y F ₁₀₀ son los flujos de POC a profundidades de z metros y 100 metros respectivamente. Aunque también se han propuesto y validado otras funciones, como una curva exponencial , ^{[11] [12]} esta función de ley de potencia , comúnmente conocida como la "curva de Martin", se ha utilizado con mucha frecuencia en las discusiones sobre el BCP. El exponente b en esta ecuación se ha utilizado como un índice de la eficiencia del BCP: cuanto mayor sea el exponente b, mayor será la tasa de atenuación vertical del flujo de POC y menor la eficiencia del BCP. ^[13] Además, las simulaciones numéricas han demostrado que un cambio en el valor de b cambiaría significativamente la concentración atmosférica de CO _2. ^{[14] [15] [16] [5]}

Posteriormente, otros investigadores han derivado perfiles de remineralización alternativos a partir de suposiciones sobre la degradabilidad de las partículas y la velocidad de hundimiento. ^{[17] [18] [12] [19] [20] [21] [22] [6]} Sin embargo, la curva de Martin se ha vuelto omnipresente como el modelo que supone que la materia orgánica que se hunde más lentamente y/o es lábil se agota preferentemente cerca de la superficie, lo que provoca un aumento de la velocidad de hundimiento y/o de la escala de tiempo de remineralización con la profundidad. ^{[10] [23]}

La curva de Martin se puede expresar de una manera ligeramente más general como: ^[24]

${\displaystyle f_{p}{(z)}=C_{p}z^{-b}}$

donde f _p ( z ) es la fracción del flujo de materia orgánica particulada de una capa productiva cerca de la superficie  ^[25] que se hunde a través del horizonte de profundidad z [m], C _p [ m ^b ] es un coeficiente de escala y b es un exponente adimensional que controla cómo f _p disminuye con la profundidad. La ecuación suele normalizarse a una profundidad de referencia z _o pero este parámetro puede absorberse fácilmente en C _p . ^[24]

La tasa de atenuación vertical del flujo de POC depende en gran medida de la velocidad de hundimiento y de la tasa de descomposición del POC en la columna de agua. Debido a que el POC es lábil y tiene poca flotabilidad negativa, debe agregarse con materiales relativamente pesados ​​llamados lastre para sedimentarse gravitacionalmente en el océano. Los materiales que pueden servir como lastre incluyen el ópalo biogénico (en adelante " ópalo "), CaCO ₃ y aluminosilicatos . En 1993, Ittekkot planteó la hipótesis de que la disminución drástica de ~280 a ~200 ppm de CO ₂ atmosférico que se produjo durante el último máximo glacial fue causada por un aumento de la entrada de polvo eólico (lastre de aluminosilicato) al océano, lo que fortaleció el BCP. ^[26] En 2002, Klaas y Archer , así como Francois et al. Quienes recopilaron y analizaron datos globales de trampas de sedimentos , sugirieron que el _CaCO3 , que tiene la mayor densidad entre los minerales de lastre posibles, es globalmente el facilitador más importante y efectivo del transporte vertical de POC, porque la eficiencia de transferencia (la relación entre el flujo de POC en las profundidades marinas y el del fondo de la capa mixta superficial ) es mayor en áreas subtropicales y tropicales donde el CaCO3 _es un componente principal de la nieve marina . ^{[27] [28] [5]}

Las velocidades de hundimiento reportadas de partículas ricas en CaCO ₃ son altas. ^{[29] [30]} Las simulaciones numéricas que tienen en cuenta estos hallazgos han indicado que la acidificación futura de los océanos reducirá la eficiencia del BCP al disminuir la calcificación oceánica. ^[31] Además, la relación de exportación de POC (la relación del flujo de POC desde una capa superior (una profundidad fija como 100 metros, o la zona eufótica o capa mixta ) a la productividad primaria neta ) en áreas subtropicales y tropicales es baja porque las altas temperaturas en la capa superior aumentan las tasas de descomposición de POC. ^[32] El resultado podría ser una mayor eficiencia de transferencia y una fuerte correlación positiva entre POC y CaCO ₃ en estas áreas de baja latitud: el POC lábil, que es más fresco y más fácil de descomponer para los microbios, se descompone en la capa superior, y el POC relativamente refractario se transporta al interior del océano en áreas de baja latitud. ^{[28] [33] [5]}

Sobre la base de observaciones que revelaron un gran aumento de los flujos de POC en áreas de alta latitud durante las floraciones de diatomeas y en el hecho de que las diatomeas son mucho más grandes que los cocolitóforos , ^{[35] [36] [37]} Honda y Watanabe propusieron en 2010 que el ópalo , en lugar del CaCO3 _, es crucial como lastre para el transporte vertical efectivo de POC en regiones subárticas. ^[38] Weber et al. informaron en 2016 una fuerte correlación negativa entre la eficiencia de transferencia y la fracción de picoplancton del plancton, así como mayores eficiencias de transferencia en áreas de alta latitud, donde predomina el fitoplancton grande como las diatomeas. ^[39] También calcularon que la fracción de CO2 transportado verticalmente _que ha sido secuestrado en el interior del océano durante al menos 100 años es mayor en las regiones de alta latitud (polares y subpolares) que en las regiones de baja latitud. ^{[39] [5]}

En contraste, Bach et al. realizaron en 2019 un experimento de mesocosmos para estudiar cómo la estructura de la comunidad de plancton afectaba las velocidades de hundimiento e informaron que durante los períodos más productivos la velocidad de hundimiento de las partículas agregadas no era necesariamente mayor, porque las partículas agregadas producidas entonces eran muy esponjosas; más bien, la velocidad de sedimentación era mayor cuando el fitoplancton estaba dominado por células pequeñas. ^[40] En 2012, Henson et al. revisaron los datos globales de la trampa de sedimentos e informaron que el flujo de POC está correlacionado negativamente con el flujo de exportación de ópalo y no está correlacionado con el flujo de exportación de CaCO ₃ . ^{[33] [5]}

Los factores clave que afectan la tasa de descomposición biológica del POC que se hunde en la columna de agua son la temperatura del agua y la concentración de oxígeno disuelto (OD): cuanto menor sea la temperatura del agua y la concentración de OD, más lenta será la tasa de respiración biológica y, en consecuencia, la tasa de descomposición del flujo de POC. ^{[41] [42] [43] [44]} Por ejemplo, en 2015, Marsay con otros analizó datos de flujo de POC de trampas de sedimentos con flotabilidad neutra en los 500 m superiores de la columna de agua y encontró una correlación positiva significativa entre el exponente b en la ecuación (1) anterior y la temperatura del agua (es decir, el flujo de POC se atenuó más rápidamente cuando el agua estaba más caliente). ^[41] Además, Bach et al. encontraron que las tasas de descomposición de POC son altas (bajas) cuando las diatomeas y Synechococcus (algas dañinas) son el fitoplancton dominante debido al aumento (disminución) de la abundancia de zooplancton y el consiguiente aumento (disminución) de la presión de pastoreo . ^{[40] [5]}

Utilizando observaciones radioquímicas ( observaciones del flujo de POC basadas en 234Th ), Pavia et al. encontraron en 2019 que el exponente b de la curva de Martin era significativamente menor en la zona ecuatorial del Pacífico oriental con bajo nivel de oxígeno ( hipóxica ) que en otras áreas; es decir, la atenuación vertical del flujo de POC era menor en el área hipóxica. ^[44] Señalaron que un océano más hipóxico en el futuro conduciría a una menor atenuación del flujo de POC y, por lo tanto, aumentaría la eficiencia del BCP y, por lo tanto, podría ser una retroalimentación negativa sobre el calentamiento global. ^[44] McDonnell et al. informaron en 2015 que el transporte vertical de POC es más efectivo en la Antártida, donde la velocidad de hundimiento es mayor y la tasa de respiración biológica es menor que en el Atlántico subtropical. ^[45] Henson et al. también informaron en 2019 una alta tasa de exportación durante el período de floración temprana, cuando la productividad primaria es baja, y una baja tasa de exportación durante el período de floración tardía, cuando la productividad primaria es alta. ^[46] Atribuyeron la baja tasa de exportación durante la floración tardía a la presión de pastoreo del microzooplancton y las bacterias. ^{[46] [5]}

A pesar de estas numerosas investigaciones del BCP, los factores que rigen la atenuación vertical del flujo de POC aún están en debate. Las observaciones en regiones subárticas han demostrado que la eficiencia de transferencia entre profundidades de 1000 y 2000 m es relativamente baja y que entre el fondo de la zona eufótica y una profundidad de 1000 m es relativamente alta. ^[41] Por lo tanto, Marsay et al. propusieron en 2015 que la curva de Martin no expresa adecuadamente la atenuación vertical del flujo de POC en todas las regiones y que, en su lugar, debería desarrollarse una ecuación diferente para cada región. ^[41] Gloege et al. En 2017 se discutió la parametrización de la atenuación vertical del flujo de POC ^[11] y se informó que la atenuación vertical del flujo de POC en la zona crepuscular (desde la base de la zona eufótica hasta 1000 m) se puede parametrizar bien no solo mediante un modelo de ley de potencia (curva de Martin), sino también mediante un modelo exponencial  ^[18] y un modelo de balasto. ^{[17] [5]}

Sin embargo, el modelo exponencial tiende a subestimar el flujo de POC en la zona de medianoche (profundidades mayores a 1000 metros). Cael y Bisson informaron en 2018 que el modelo exponencial (modelo de ley de potencia) tiende a subestimar el flujo de POC en la capa superior y sobreestimarlo en la capa profunda. ^[12] Sin embargo, las capacidades de ambos modelos para describir los flujos de POC fueron comparables estadísticamente cuando se aplicaron al conjunto de datos de flujo de POC del Pacífico oriental que se utilizó para proponer la "curva de Martin". ^[10] En un estudio a largo plazo en el Pacífico nororiental, Smith et al. observaron en 2018 un aumento repentino del flujo de POC acompañado de una eficiencia de transferencia inusualmente alta; han sugerido que debido a que la curva de Martin no puede expresar un aumento tan repentino, a veces puede subestimar la fuerza del BCP. ^[47] Además, contrariamente a los hallazgos anteriores, algunos estudios han informado una eficiencia de transferencia significativamente mayor, especialmente al mar profundo, en regiones subtropicales que en regiones subárticas. ^{[33] [41] [42]} Este patrón puede atribuirse a pequeñas diferencias de temperatura y concentración de oxígeno disuelto en las profundidades marinas entre regiones de latitudes altas y bajas, así como a una mayor velocidad de hundimiento en las regiones subtropicales, donde el CaCO3 _es un componente principal de la nieve marina de las profundidades marinas. Además, también es posible que el POC sea más refractario en áreas de latitudes bajas que en áreas de latitudes altas. ^{[33] [41] [42] [5]}

La bomba biológica del océano regula los niveles de dióxido de carbono atmosférico y el clima mediante la transferencia de carbono orgánico producido en la superficie por el fitoplancton al interior del océano a través de la nieve marina , donde el carbono orgánico es consumido y respirado por microorganismos marinos . Este transporte de la superficie a las profundidades suele describirse mediante una relación de ley de potencia de la concentración de partículas que se hunden con la profundidad. La incertidumbre en la fuerza de la bomba biológica puede estar relacionada con diferentes valores de variables ( incertidumbre paramétrica ) o las ecuaciones subyacentes ( incertidumbre estructural ) que describen la exportación de materia orgánica. En 2021, Lauderdale evaluó la incertidumbre estructural utilizando un modelo de biogeoquímica oceánica sustituyendo sistemáticamente seis perfiles de remineralización alternativos ajustados a una curva de ley de potencia de referencia. La incertidumbre estructural hace una contribución sustancial, aproximadamente un tercio en términos de pCO2 atmosférico _, a la incertidumbre total de la bomba biológica, lo que destaca la importancia de mejorar la caracterización de la bomba biológica a partir de las observaciones y su inclusión mecanicista en los modelos climáticos. ^{[24] [48]}

El fitoplancton consume carbono y nutrientes en la superficie del océano durante la producción primaria , lo que conduce a un flujo descendente de materia orgánica. Esta "nieve marina" es transformada, respirada y degradada por organismos heterotróficos en aguas más profundas, que finalmente liberan esos componentes nuevamente en forma inorgánica disuelta . El vuelco oceánico y la mezcla turbulenta devuelven las aguas profundas ricas en recursos a la capa superficial iluminada por el sol, lo que sostiene la productividad oceánica global. La bomba biológica mantiene este gradiente vertical de nutrientes a través de la absorción, el transporte vertical y la remineralización de la materia orgánica, almacenando carbono en el océano profundo que está aislado de la atmósfera en escalas de tiempo centenarias y milenarias, lo que reduce los niveles de CO ₂ atmosférico en varios cientos de microatmósferas. ^{[49] [50]} La bomba biológica resiste la caracterización mecanicista simple debido al complejo conjunto de procesos biológicos, químicos y físicos involucrados, ^[51] por lo que el destino del carbono orgánico exportado generalmente se describe utilizando un perfil dependiente de la profundidad para evaluar la degradación de la materia particulada que se hunde. ^[24]

• Carbono inorgánico particulado