La pompa biologica del carbonio nel mare di Ross (Antartide)

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1 La pompa biologica del carbonio nel mare di Ross (Antartide) G. Catalano 1, M. Ravaioli 1, F. Giglio 1, L. Langone 1, G. Budillon 2, A. Accornero 2, V. Saggiomo 3, M. Modigh 3, P. Povero 4, C. Misic 4, O. Mangoni 5, G. C. Carrada 5, R. La Ferla 6, M. Azzaro 6 1 Istituto di Scienze Marine, CNR, Venezia, Italia 2 Dipartimento di Scienze Ambientali, Università Parthenope, Napoli, Italia 3 Stazione Zoologica A. Dohrn, Napoli, Italia 4 Dipartimento per il Territorio e sue Risorse, Università di Genova, Italia 5 Dipartimento delle Scienze Biologiche, Università Federico II, Napoli, Italia 6 Istituto per l Ambiente Marino Costiero, CNR, Messina, Italia giulio.catalano@ts.ismar.cnr.it SOMMARIO: Il fondo degli oceani costituisce uno dei più grandi serbatoi di carbonio del mondo. L alimentazione di questo serbatoio è in gran parte a carico della CO 2 sottratta all atmosfera dalla pompa di fisica solubilità e da quella biologica della produzione primaria. Solo una parte del carbonio organicato dalla pompa biologica nello strato oceanico superficiale arriva però allo strato profondo ed al sedimento dove rimane confinato per decenni o secoli, una grossa parte viene riciclata dai batteri e restituita all atmosfera. La percentuale di carbonio esportata verso le profondità rispetto a quella inizialmente organicata rappresenta la stima dell efficienza della pompa biologica. La previsione del suo comportamento in futuri scenari climatici con oceani maggiormente stratificati è una delle sfide scientifiche più attuali. Questo comportamento dipende da più fattori: dalla latitudine del mare, dalla climatologia locale, dalle correnti marine e dalla rete trofica sostenuta dall ecosistema. Qui viene riportata una stima dell efficienza della pompa biologica nel mare di Ross, oggetto di studio di parecchie campagne oceanografiche italiane eseguite nell ambito del PNRA. I risultati divergono a seconda che l esportazione di C dallo strato superiore a quello profondo venga calcolata dai dati delle trappole di sedimentazione o dal drawdown del nitrato. In ogni caso circa il 90% del carbonio organicato serve ad alimentare la rete trofica e non viene nè riciclato dai batteri nè sedimentato. Saranno quindi la struttura della rete trofica, le sue possibili modificazioni ed il destino degli organismi che la compongono a determinare l efficienza della pompa biologica nel mare di Ross. 1 INTRODUZIONE Il fondo degli oceani costituisce uno dei più grandi serbatoi di carbonio del mondo. Questo serbatoio si alimenta attraverso il processo, comunemente definito pompa biologica, di trasformazione del carbonio catturato all atmosfera in biomassa fitoplanctonica (produzione primaria). Alla pompa biologica, si affianca la cosiddetta pompa di solubilità, che è principalmente dipendente dalla temperatura e salinità dei mari. Considerata l ingente immissione antropica ed essendo la CO 2 oceanica in equilibrio con quella atmosferica, senza il contributo dell oceano globale, l attuale concentrazione di CO 2 nell atmosfera dovrebbe essere circa doppia. L efficienza della pompa biologica nel sottrarre CO 2 all atmosfera è condizionata dalla capacità del sistema di esportare il carbonio organico particellato (POC) e disciolto (DOC), prodotti dall attività biologica, dallo strato superficiale dell oceano a quello profondo e poi al sedimento per diventare un deposito di carbonio a lungo termine o essere consumato dagli animali e dai batteri durante la discesa, ridiventando in parte carbonio inorganico disciolto (DIC), cioè CO 2 disciolta. In alcuni casi questa frazione può tornare nell atmosfera riducendo l efficienza della pompa 271

2 Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNR biologica (Buesseler et al., 2007). Si stima che, per il meccanismo appena descritto, ogni giorno più di 100 milioni di tonnellate di C vengano fissate nella biomassa vivente nello strato superiore e altrettanta venga trasferita all ecosistema marino mediante processi di grazing e sinking. Il primo stadio della pompa biologica, chiamato NCP (net community production), è dipendente dal tipo di comunità planctonica presente e dalla disponibilità di luce, nutrienti (sali di azoto e fosforo) e ferro, fattori a loro volta legati alle condizioni climatiche ed oceanografiche. Recenti osservazioni satellitari hanno stabilito che la NCP/mese globale è diminuita di 197 Tg di C fra il 1999 ed il 2004 (Behrenfeld et al., 2006) a causa del rafforzamento del picnoclino nelle zone permanentemente stratificate dell oceano, che ha ridotto lo scambio di nutrienti fra lo strato profondo e quello superficiale. Ulteriori conferme sul legame fra incremento di temperatura, dovuto al riscaldamento globale, e diminuzione della produzione primaria arrivano dalle simulazioni modellistiche; le stesse, nel contempo, ipotizzano un aumento della NCP nelle zone oceaniche a maggiore latitudine, non permanentemente stratificate, che potrebbe compensare la riduzione avvenuta alle basse latitudini. L incertezza maggiore si riflette quindi proprio sul ruolo dei mari polari, attualmente classificati come HNLC (high nutrient, low chlorophyll), dove l abbondanza di nutrienti non trova un adeguato utilizzo da parte del fitoplancton e che quindi potrebbero trarre giovamento da un aumento della stratificazione (Catalano et al., 1987). Tra gli oceani ad alta latitudine, quello piu esteso, l Oceano Meridionale, presenta a sud del Fronte Polare Antarctico (APF) un comportamento tuttora controverso in riferimento all efficienza della pompa biologica verso la cattura della CO 2 atmosferica, anche se proprio quest area potrebbe aver giocato un ruolo fondamentale nella diminuzione della CO 2 atmosferica avvenuta nell ultimo massimo glaciale (LGM; Anderson et al., 2002; Marinov et al., 2006). Attualmente i nutrienti emergenti a sud dell APF per effetto della circolazione globale rimangono poco sfruttati dalla pompa biologica. Questo scenario potrebbe però cambiare come probabilmente è accaduto durante il LGM, quando la produzione esportata sembra essere stata piu elevata (Anderson et al., 2002). Un ruolo non indifferente in questo contesto potrebbero averlo svolto la maggiore estensione del ghiaccio marino attorno all Antartide e l effetto del suo scioglimento stagionale sulle comunità planctoniche presenti. Recenti evidenze hanno infatti suggerito che i diversi gruppi funzionali di plancton marino possano agire diversamente sui cicli biogeochimici degli elementi, come il carbonio, che influiscono sui cambiamenti climatici. La parte marina del ciclo del C coinvolge la rete trofica e la catena alimentare determinando il destino del carbonio organico prodotto fino al suo seppellimento, o meno, nel sedimento. Per questo, uno degli approcci allo studio dell efficienza della pompa biologica parte dalla definizione della dinamica della rete trofica e dei suoi effetti sui cicli biogeochimici marini, in primis quello del carbonio e dallo studio dei sedimenti marini e dei proxy di paleo-esportazione di carbonio in essi contenuti. Il mare di Ross con le sue due polynye, quella meridionale e quella di Baia Terra Nova, ed il suo caratteristico ritiro del ghiaccio marino annuale da sud verso nord rappresenta un sito ideale per lo studio degli effetti dello scioglimento ghiaccio marino sulla successione delle comunità fitoplanconiche dominanti, phaeocystis antarctica e diatomee. Inoltre, avendo queste specie una diversa efficienza nell affondamento e preservazione del loro carbonio organico, esso è anche adatto per lo studio degli effetti delle comunità planctoniche sul destino del carbonio organico prodotto. 2 LA STIMA DEL BILANCIO ATTUALE DEL CARBONIO NEL MARE DI ROSS Con l obiettivo di proporre alcune risposte ai temi sopra elencati e all importanza che in tal senso potrebbero rivestire i cicli biogeochimici 272

3 Le ricerche polari ed i cambiamenti climatici nel mare Ross, dal 1987 al 2001 sono state effettuate nell ambito del Programma Nazionale per le Ricerche in Antartide (PNRA) numerose crociere oceanografiche che hanno coinvolto, in differenti progetti, molti ricercatori di diverse discipline. Integrando, attraverso collaborazioni, dati di progetti italiani e non, condotti nella medesima area, si è cercato da una parte di fare una prima stima del bilancio del carbonio nel mare di Ross nelle attuali condizioni climatiche e, dall altra, di definire il destino del carbonio organico prodotto. I risultati (Catalano et al., accepted) vengono qui di seguito sintetizzati (Fig. 1-2) con i bilanci verticali del carbonio precedentemente corretti per le quantità di DIC e DOC cedute o guadagnate dal mare di Ross per effetto degli scambi con l oceano. Le quantità stimate POC esportato dallo strato marino superiore a quello profondo e poi al sedimento e quelle trasferite nei comparti del disciolto ed alla rete trofica superiore sono espresse in gigamoli di carbonio (Gmol C = 10 9 moli C) e riferite ad una estate australe media, considerata da novembre a febbraio (120 giorni) e integrate per la superficie totale del mare di Ross calcolata in km 2. Per la stima dell export di carbonio particellato dallo strato superiore a quello profondo sono stati utilizzati due metodi di calcolo: i) dal drawdown del nitrato (DIN) nello strato superiore (Fig. 1) e ii) dalla misura del flusso verticale di POC determinato mediante trappole di sedimentazione poste all interfaccia fra strato superiore e strato profondo (Fig. 2). Secondo i risultati ottenuti, a fronte di una NCP di 3486 Gmol di C, che può essere considerata anche la quantità netta catturata all atmosfera nei quattro mesi estivi quando il mare di Ross è relativamente libero dai ghiacci, 3239 Gmol formano un surplus di POC potenzialmente esportabile o verso lo strato profondo o verso i livelli trofici superiori che pascolano nello strato superiore marino. A questo punto il calcolo dell esportazione differisce a seconda che si addotti il drawdown di DIN o il flusso misurato dalle sediment trap. Nel primo caso (Fig. 1) si stima che dalle 1255 alle 1681 Gmol di C finiscano nello strato profondo e che dalle 1558 alle 1954 Gmol di C siano uti- Figura 1: Schema del flusso del carbonio fra strato marino superiore (z<100m) e profondo (z>100m) e fra alcuni comparti trofici come calcolato in base al drawdown di DIC (nitrato + nitrito) nello strato superiore. I bilanci sono corretti per la advezioni laterali di DIC e DOC associate agli scambi dell Antarctic Surface Water, della Modified Circumpolar Deep Water, della High Salinity Shelf Water e della Deep Ice Shelf Water. Figura 2: Schema del flusso del carbonio fra strato marino superiore (z<200 m) e profondo (z>200 m) e fra alcuni comparti trofici come calcolato in base al flusso verticale di POC misurato dalle trappole di sedimentazione. I bilanci sono corretti per la advezioni laterali di DIC e DOC associate agli scambi dell Antarctic Surface Water, della Modified Circumpolar Deep Water, della High Salinity Shelf Water e della Deep Ice Shelf Water. 273

4 Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNR lizzate dagli organismi viventi nello strato superiore. Dello stock di POC finito nello strato profondo, dalle 1201 alle 1597 Gmol servono ad alimentare la biomassa che vi abita, mentre solo 14 Gmol finiscono nel sedimento. Solo una piccola parte, 63 Gmol di C, viene respirata cioè ritrasformata in DIC. Nel caso invece si adottino le sediment trap per la stima del flusso verticale di POC (Fig. 2), il bilancio diviene: 3140 Gmol di C del POC surplus dello strato superiore sono utilizzate dagli organismi viventi nello stesso strato, mentre solo 99 Gmol scendono nel deep layer dove 15 Gmol di C servono al pascolo degli organismi del deep layer, 63 Gmol sono respirate e ritornano in circolo come DIC e 14 Gmol di C finiscono nel sedimento. Per una più completa interpretazione dei flussi descritti nelle Figure 1-2 si rimanda anche alla Tabella 1. 3 CONCLUSIONI Il bilancio del carbonio ottenuto diverge sensibilmente a seconda che il calcolo sia basato sul drawdown di DIN oppure sui dati delle trappole di sedimentazione. Questa divergenza è nota da tempo ed è opinione generale che le trappole sottostimino il flusso sedimentario del particellato. È peraltro noto che l export del carbonio calcolato sulla base del DIN drawdown risulta in buon accordo con le stime ottenute da altri proxy come la new production ed il disequilibrio U-Th e che invece i risultati di tutte tre queste metodologie si discostano da quelli ottenuti con le trappole di sedimentazione. È altrettanto noto che nei mari polari questa sottostima della quantità di carbonio esportato sembra essere piu significativa che in altri. Nel modellare i bilanci globali del carbonio tuttavia si dovrebbe tener conto di queste differenze dipendenti dal metodo adottato. Tabella 1 - Sintesi dei flussi biogeochimici di carbonio nel mare di Ross fra lo strato superiore (z<100m) e lo strato profondo (z>100m) e tra lo strato profondo ed il fondale Strato superiore o Upper layer (0 < z < 100 m) Gmol GPP - Produzione primaria lorda del fitoplancton 4068 CDPR - CO 2 prodotta dalla respirazione delle comunita' 582 NCP - Surplus di carbonio organico totale prodotto dalla net community production 3486 POC ul - Carbonio organico particellato (POC) perso attraverso il margine continentale 4 POC Surplus - Eccesso di carbonio organico particellato prodotto dalla net community production 3239 DOC Surplus - Eccesso di carbonio organico disciolto prodotto dalla net community production 243 Export max di carbonio organico particellato verso il deep layer, calcolato in base al DIN drawdown) 1681 Export min di carbonio organico particellato verso il deep layer, calcolato in base al DIN drawdown) 1285 Export min e max di carbonio verso i livelli trofici superiori (ehtl) calcolato in base al DIN drawdown Export di carbonio organico particellato verso il deep layer calcolato in base alle sediment traps 99 Export di carbonio verso i livelli trofici superiori (ehtl) calcolato in base alle sediment traps 3140 Strato profondo o Deep layer (100m < z < fondo) CDPR - CO 2 prodotta dalla respirazione delle comunita' 63 POC dl - Carbonio organico particellato (POC) perso attraverso il margine continentale 7 Gmol Export min e max di carbonio e di DOC verso i livelli trofici superiori (ehtl) calcolato in base al DIN drawdown Surplus di DOC e carbonio esportato verso i livelli trofici superiori (ehtl+doc) calcolato in base alle sediment traps 15 Seppellimento entro il sedimento Seppellimento di POC 14 Gmol 274

5 Le ricerche polari ed i cambiamenti climatici Limitandosi ai soli dati derivati dal DIN drawdown (Fig. 1) e tralasciando quelli delle trappole, risulta che nel mare di Ross dal 37 al 48% del carbonio netto organicato dalla NCP passa nelle acque profonde, dove potrebbe rimanere intrappolato per decine d anni. I valori riportati rappresenterebbero pertanto anche una stima dell efficienza della pompa biologica nella attuale situazione climatica del mare di Ross. Bisogna però fare una ulteriore considerazione: delle Gmol di C passate nello strato profondo, dalle 1201 alle 1597, cioè circa il 95%, non rimangono nè nell acqua nè finiscono nel sedimento, ma sono incorporate nei livelli trofici superiori. Questo conferma che il mare di Ross si comporta come una mangiatoia a sostegno di una importante rete trofica. Infatti sommando il carbonio immesso nei livelli trofici superiori sia nello strato superiore che nello strato profondo (Fig. 1), si arriva alla conclusione che circa il 90% delle 3486 Gmol di carbonio derivante dalla NCP finiscono nella rete trofica, dai batteri fino ai mammiferi marini. Sarà quindi la sorte di questi ultimi a determinare il serbatoio finale di contenimento del carbonio catturato dalla pompa biologica nel mare di Ross e quindi la sua efficienza, più che l entità del particellato sedimentato. Per quantificare il bilancio qui presentato, sono state fatte alcune importanti approssimazioni la piu rimarchevole delle quali è a nostro parere l aver utilizzato un modello di circolazione marina del mare di Ross che non tiene conto del mescolamento convettivo. Questo miglioramento sarà un prossimo obiettivo per una più accurata stima del bilancio del carbonio. è però verosimile che tale miglioramento influenzerà soprattutto le quantità di DIC e DOC associate agli scambi di masse attraverso il margine continentale che i trasporti verticali di POC e le quantità immesse nella rete trofica. 4BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE Anderson R.F., Chase Z., Fleisher M.Q., Sachs J., The Southern Ocean s biological pump during the Last Glacial Minimum. Deep-Sea Research II, 49: Behrenfeld M.J., O Malley R.T., Siegel D.A., McClain C.R., Sarmiento J.L., Feldman G.C., Milligan A.J., Falkowski P.G., Letelier R.M., Boss E.S., Climate-driven trends in contemporary ocean productivity. Nature, 444: Buesseler K.O., Lamborg C.H., Boyd P.W., Lam P.J., Trull T.W., Bidigare R.R., Bishop J.K., Casciotti K.L., Dehairs F., Elskens M., Honda M., Karl D.M., Siegel D.A., Silver M.W., Steinberg D.K., Valdes J., Van Mooy B., Wilson S., Revisiting Carbon Flux Through the Ocean's Twilight Zone. Science, 316: Catalano G., Budillon G., La Ferla R., Povero P., Ravaioli M., Saggiomo V., Accornero A., Azzaro M., Carrada G.C., Giglio F., Langone L., Mangoni O., Cristina Misic C., Modigh M., (accepted). The Ross Sea. In: K.K. Liu, L. Atkinson, R. Quinones, L. Talaue-Mc Manus (eds.), Carbon and nutrient fluxes in continental margins: A global synthesis, Global Change, The IGBP Series, Springer, Berlin. Catalano G., Povero P., Fabiano M., Benedetti F., Goffart A., Nutrient utilisation and particulate organic matter changes during summer in the upper mixed layer (Ross Sea, Antarctica). Deep-Sea Res., 44: Marinov I., Gnanadesikan A., Toggweiler J.R., Sarmiento J.L., The Southern Ocean biogeochemical divide. Nature, 44:

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