Marin biogeokjemi

Siden den industrielle revolusjon på slutten av 1700-tallet har innholdet av karbondioksid (CO2). I atmosfæren økt fra 280 ppm (parts per million) til 380 ppm, en følge av bruk av fossile brensler som kull, gass, og olje. CO2-innholdet i atmosfæren påvirker klimaet gjennom drivhuseffekten, og vi kan forvente betydelige klimaendringer dersom CO2-nivået fortsetter å øke.

CO2 fra bruk av fossilt brensel slippes ut i atmosfæren, men ikke alt blir værende der, både hav og vegetasjon tar opp masse CO2. Faktisk tar disse to slukene opp omlag halvparten av det vi slipper ut og bidrar til å dempe veksten av drivhusgasser atmosfæren. På et tidspunkt regner vi med at vegetasjonen på landjorden blir tilnærmet mettet med CO2; det blir ganske enkelt ikke plass til flere trær. Havet derimot har plass til store mengder, om lag 90 % av det vi slipper ut, men det vil ta tusener av år før havet har tatt opp så mye slik at vi må leve med høyt CO2 innhold og dermed sterk drivhuseffekt i lengre tid hvis ikke det gjøres politiske tiltak mot reduksjon.

Havet er ikke noe statisk system, i forgangen tid (hundre-tusener av år) har endringer i havet ført til at det har blitt tatt opp eller sluppet ut så mye CO2 at atmosfære-innholdet har variert med over 100 ppm, like mye som det har økt i atmosfæren siden vi begynte å forbrenne fossilt brensel. Klimaendringer vil påvirke både biologi og sirkulasjon i havet, to faktorer som er viktig for karbon-opptak. Klima, karbon, havsirkulasjon og biologi er dermed knyttet sammen, og vår evne til å forutsi fremtidige klima-endringer er avhengig av en god mekanistisk forståelse av havets karbonsyklus.

Marint karbonopptak er avhengig av en konsentrasjons-gradient mellom havet og atmosfæren som driver en transport ned i havet, og videre av en transport av karbon fra overflatehavet til dyphavet slik at karbonet blir skjermet fra atmosfæren. Både biologiske prosesser og fysiske prosesser bidrar til dette. Planteplankton omdanner CO2 til organisk karbon, og dette lager en konsentrasjonsgradient mellom hav og atmosfære. Når planktonet dør synker det ned, og bidrar på denne måten til en transport av karbon fra overflatehavet til dyphavet, dette er kjent som den biologiske karbonpumpe.

Den fysiske karbonpumpen er et resultat av at løseligheten til CO2 varierer med temperatur og det generelle strømningsmønsteret i havet. I denne sammenheng er det formålstjenlig å betrakte havet som en enkel sirkulasjons-celle med strøm opp mot overflaten ved lave breddegrader og strøm ned i dypet på høye, som illustrert i figur 1. På vei mot høye breddegrader kjøles vannet ned, noe som fører til økt løselighet av CO2. Dette skaper en økt konsentrasjons-gradient mellom hav og atmosfære, som driver en fluks av CO2 ned i havet. Etter at vannet har blitt ført ned på store dyp, strømmer det mot lavere breddegrader, og stiger opp rundt ekvator hvor det varmes opp. Dette vannet inneholder store mengder CO2 som følge av opptaket som fant sted ved høye breddegrader. Men her vil løseligheten av CO2 være redusert siden vannet er varmet opp. Derfor vil vannet være overmettet med CO2 relativt til atmosfæren. I tillegg vil vannmassene være tilført CO2 fra sedimentert organisk materiale, som en del av den biologiske karbonpumpe. Overmetningen i vannet som stiger opp vil drive en fluks av CO2 ut av havet i disse områdene, en fluks som vil vedvare mens vannet igjen strømmer mot høyere breddegrader. Dette skjer helt til tapet av CO2, kombinert med avkjølingen, gjør at vannet blir undermettet og begynner å ta opp CO2 fra atmosfæren. Disse store trekk i havets karbonsyklus er illustrert i figuren.

Både den biologiske og den fysiske pumpe er følsomme for endringer i atmosfærisk CO2 konsentrasjon og klima. For eksempel vil endringer i atmosfærisk CO2-konsentrasjon påvirke konsentrasjonsgradientene som driver den fysiske karbonpumpe, og økt CO2 konsentrasjon i atmosfæren vil føre til økt opptak av CO2 i havet. Når CO2-innholdet i havet øker vil vannet bli surere (synkende pH). Mange plankton-arter er sårbare for endringer i pH, og vi forventer derfor endringer i artssammensetning. Dette vil ha konsekvenser for effektiviteten til den biologiske karbonpumpe, men ikke minst vil en endring i artssammensetningen kunne ha dramatiske konsekvenser for fiskerinæringen.

Klimaendringer vil føre til endringer i havstrømmene. Ut i fra dagens kunnskap kan slike endringer føre til både høyere eller lavere innhold av CO2 i atmosfæren. Dette beror på hvilke endringer i havsirkulasjon man legger til grunn. Det er viktig å få avklart slike uklarheter. Hvis endringer i havet virker til økt CO2 innhold i atmosfæren vil klima bli mye varmere enn antatt

Dette er bare noen eksempler på de endringene i den marine karbonsyklus som vi har en prinsipiell forståelse for, men som vi kan ennå ikke kan kvantifisere bl.a. fordi vi ikke har tilstrekkelig kunnskap om de tilbakekoblingseffektene som vil være aktive og fordi vi trenger mer kunnskap for å sette tall på disse endringen.

Vår gruppe arbeider med alle disse problemstillingene og bruker ulike virkemidler. Vi observerer dagens marine karbonsystem for å forstå dagens prosesser og deres følsomhet for klimaendringer og vi bruker modeller til å simulere hvordan den marine karbonsyklus vil endre seg med klimaendringer.

Aktuelle problemstillinger er:

* Fjermålingsdata som hjelpemiddel ved beregning av luft-hav CO2 utveksling.
* Døgnlig til mellomårlig variasjon i luft-hav CO2 utveksling.
* Opptak av CO2 i områder med intens isdannelse.
* Jern og biologisk produksjon i Sørishavet.
* Responsen til det marine CO2 system i Nord- Atlanteren på CO2 opptak.
* Biologisk respons på endringer i marin pH.