Ruolo delle precipitazioni di carbonati abiotici oceanici nella futura regolazione della CO2 atmosferica

Oct 15, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15970 (2022) Citare questo articolo

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Gli oceani svolgono un ruolo importante nel clima terrestre regolando la CO2 atmosferica. Mentre la produttività primaria oceanica e il seppellimento del carbonio organico sequestrano CO2 dall’atmosfera, la precipitazione di CaCO3 nel mare restituisce CO2 all’atmosfera. La precipitazione abiotica di CaCO3 sotto forma di aragonite è potenzialmente un importante meccanismo di feedback per il ciclo globale del carbonio, ma questo processo non è stato completamente quantificato. In uno studio sulle trappole di sedimenti condotto nel Mar Mediterraneo sud-orientale, una delle regioni dell’oceano con il riscaldamento più rapido e la maggior parte oligotrofica, quantifichiamo per la prima volta il flusso di aragonite inorganica nella colonna d’acqua. Mostriamo che questo processo è cineticamente indotto dal riscaldamento dell'acqua superficiale e dalla stratificazione prolungata che porta ad un elevato stato di saturazione dell'aragonite (ΩAr ≥ 4). Sulla base di queste relazioni, stimiamo che la calcificazione abiotica dell’aragonite possa rappresentare il 15 ± 3% dell’efflusso di CO2 precedentemente riportato dalla superficie del mare all’atmosfera nel Mediterraneo sud-orientale. Le previsioni modellizzate della temperatura della superficie del mare e di ΩAr suggeriscono che questo processo potrebbe indebolirsi nel futuro oceano, con conseguente aumento dell’alcalinità e della capacità tampone della CO2 atmosferica.

La produzione di minerali CaCO3 (in particolare aragonite e calcite) svolge un ruolo importante nella regolazione del bilancio del carbonio dell'oceano1,2. Mentre la maggior parte della produzione di CaCO3 negli oceani è biogenica, una frazione si forma nelle reazioni abiotiche. Ad oggi, la produzione abiotica di CaCO3 sotto forma di aragonite è stata osservata in alcune località, come le Bahamas o il Golfo Persico, dove sono presenti condizioni specifiche. Tuttavia, con l’intensificarsi dell’acidificazione degli oceani, la produzione di CaCO3 abiotico diminuirà e potrebbe essere già diminuita in modo significativo, a causa della riduzione dello stato di saturazione dello ione carbonato. Qui mostriamo, per la prima volta, il verificarsi della produzione di aragonite abiotica nel Mediterraneo orientale, in condizioni diverse da quelle precedentemente osservate e un possibile analogo alle future condizioni oceaniche sotto gli effetti del riscaldamento globale. Secondo il meccanismo proposto, la produzione abiotica di CaCO3 nelle acque superficiali potrebbe essere aumentata dal riscaldamento e dalla stratificazione degli oceani, piuttosto che dall’ulteriore semina o miscelazione della massa d’acqua. Al contrario, l’acidificazione degli oceani può inibire la produzione abiotica delle acque superficiali, contrastando l’effetto positivo del riscaldamento. Sulla base delle nostre osservazioni, sosteniamo che la produzione abiotica di aragonite è più onnipresente di quanto precedentemente considerato e delineiamo il meccanismo di produzione. Sulla base di modelli climatici all’avanguardia, illustriamo il potenziale che questo meccanismo sta diminuendo e ne discutiamo l’impatto.

Si ritiene che lo scambio di CO2 tra l’oceano e l’atmosfera agisca come un importante meccanismo di feedback che aiuta a regolare il clima planetario1,2. Attualmente si stima che ca. Il 25% della CO2 di origine antropica emessa ogni anno nell’atmosfera viene assorbita dall’oceano3,4. La conseguente reazione chimica della CO2 assorbita con l'acqua di mare produce acido carbonico, dando luogo a un processo noto come acidificazione degli oceani5. La produzione di acido carbonico non solo riduce il pH dell'acqua di mare, ma sposta anche la speciazione del carbonio inorganico disciolto (DIC = CO2 + HCO3− + CO3−2) nell'acqua di mare dal carbonato (CO3−2) al bicarbonato (HCO3−) , secondo la seguente equazione stechiometrica – CO2 + H2O + CO3−2 → 2HCO3−.

La speciazione del DIC nell’acqua di mare è influenzata anche dalla temperatura attraverso il suo effetto sulle costanti di dissociazione termodinamica, dove il riscaldamento sposta il sistema carbonatico verso CO3−2. La maggior parte della trasformazione del DIC in fase solida, sia essa organica o inorganica, è guidata da fattori biologici6. Dove, l'assimilazione mediata biologicamente del DIC nella fase solida del carbonio inorganico (CaCO3) rimuove Ca+2 dall'acqua di mare e si traduce anche in una riduzione dell'alcalinità totale dell'acqua di mare (TA). Questo processo è anche non conservativo al variare della salinità7. Mentre il pozzo organico ("pompa biologica") rimuove il carbonio dall'atmosfera, il pozzo inorganico (precipitazione dei minerali carbonatici), consuma AT e sposta il sistema carbonatico verso la CO2 e il suo degassamento dalla superficie dell'oceano all'atmosfera8, agendo come un pozzo positivo feedback al riscaldamento globale2,9. La precipitazione di entrambe le forme cristalline di CaCO3 (aragonite e calcite) nell'oceano è per lo più biogenica10 ed è un processo altamente complesso, influenzato da condizioni ambientali, come la temperatura, i livelli di nutrienti disciolti e, cosa più degna di nota, il rapporto tra Ca+2 e Prodotto dell'attività degli ioni CO3−2 per la costante di solubilità di CaCO3, noto anche come stato di saturazione di CaCO3 (Ω)9.