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海洋生物泵(biological pump)

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zhoukuanbo 发表于 2010-12-7 06:38:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 jlinwhoi 于 2011-1-8 16:29 编辑

为了繁荣本版的发展,作为斑竹的我将陆续推出自己的一些研究背景,从而让大家知道一些全球变化与海洋碳循环的相关知识,另外也让大家了解我为什么要做这方面的研究。今天,我重点来介绍一下什么是海洋生物泵(Biological Pump)。

海洋生物泵的概念已经产生很久,我也不知道谁第一次提出这个概念。它是海洋吸收大气CO2的两种重要形式的其中一种。另外一个是海洋物理泵(又称溶解泵)。海洋生物泵是指海洋中的浮游植物吸收通过光合作用吸收大气中的CO2,这些被固定的大气CO2大部分会通过呼吸作用(比如浮游动物的捕食,细菌的降解等)重新回到大气中。而一小部分的被固定的CO2会通过颗粒沉降向下输出真光层(Euphotic Zone)。

这一小部分向下沉降的碳对海洋的固碳能力是相当重要的。因为,一旦有碳沉降出真光层(一般南海0-100m,北大西洋0-150m),至少它在100年时间尺度内不会再返回到大气中,从来起到降低温室效应的效果,同时也能让人们有时间缓冲去研究出新的固定大气中CO2的方法。但是这种向下沉降的碳到底是以什么形式输出的?按照粒径来分的话,主要可以分成颗粒有机碳(Particulate organic Carbon)和溶解有机碳(Dissolved Organic Carbon)。在浓度水平上,溶解有机碳大概是可以有机碳的9倍。但是在向下输出的碳通量上面(flux)却正好相反。

经过著名JGOFS 计划(全球大洋联合通量计划)几十年的研究,科学家们已经得出,大概有90%的向下输入通量是由颗粒有机碳贡献的,而溶解有机碳的贡献只占10%左右。虽然在碳输出通量研究上已经很大程度的突破,但是科学家始终没有找到很好的方法来well-constrain 这个通量的值。由于这个通量值在全球气候模型中起着至关重要的地位,因为世界上有非常多的科学研究组(据我所知最起码20个以上,数字不准确)。目前主要做这个通量的研究工具有两种,一种是沉积物捕获器的方法(sediment trap), 另外一种是海洋天然放射性同位素的方法(主要有Th-234, Po-210等)。另外一个是什么机制控制了这个输出通量,其实人们也是知之甚少。目前很多研究是浮游植物群落结构控制的,但是到底是怎么控制的?确是几乎未知。(至于机制上的东西,我将在接下来的帖子中陈诉)。

很有意思的是,近年来,许多生物学家开始认识到,有些细菌,比如AAPB,能把海洋中一些新鲜的容易降解的溶解有机碳转变为难以降解的有机碳,从而增加这些碳在海洋中的停留时间,而不是释放到大气中去。这就转变成了海洋生物泵的另一种形式(不是通过沉降的方式,而是通过转化为活性较钝的碳形式)———海洋微型生物泵。为止,SCOR还专门成立了一个工作组,由厦门大学的焦念志老师牵头, 来研究到底有多少溶解有机碳再发生这样的变化。

jlinwhoi 发表于 2010-12-7 08:23:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 jlinwhoi 于 2010-12-7 08:27 编辑

谢谢周宽波解释海洋生物泵。

在厄尔尼诺发生的年份,中美洲赤道附近海洋上涌(upwelling)异常强列(也是大家在大洋一号上能钓到更多鱿鱼的年份)。暂时增强的海洋上涌对当年和一个厄尔尼诺周期的碳通量分别怎么影响?
 楼主| zhoukuanbo 发表于 2010-12-8 11:08:31 | 显示全部楼层
林老师,你的问题其实可以变成在上升流地区到底是大气CO2的源,还是大气CO2的汇。而且是在厄尔尼诺状态下面。这个问题本身我认为就是一个生物地球化学的热点。
其实这个问题蛮难回答的,需要一个时间序列的观测。我在关于上升流的文献检索上功夫下得不是很够。
下面是我自己的一些想法,上升流增强了,那么底部高营养盐的水被带到表层,刺激了更多的初级生产,这就是为什么你看到那么多鱿鱼的原因,同时生物泵的强度增大,向下输出的碳通量增大。但是,别忘记了上升流在带来高营养盐的同时,也把深层高的CO2水带到表层,释放到大气当中。所以这两者孰强孰弱,需要对上升流进行一个时间序列观测,来了解这个过程到底是CO2的源,还是汇
jlinwhoi 发表于 2010-12-8 12:10:04 | 显示全部楼层
本帖最后由 jlinwhoi 于 2010-12-8 16:34 编辑
林老师,你的问题其实可以变成在上升流地区到底是大气CO2的源,还是大气CO2的汇。而且是在厄尔尼诺状态下面 ...
zhoukuanbo 发表于 2010-12-8 11:08


周宽波,谢谢你的分析。

“上升流增强了,那么底部高营养盐的水被带到表层,刺激了更多的初级生产,这就是为什么你看到那么多鱿鱼的原因,同时生物泵的强度增大,向下输出的碳通量增大。”

这道理讲的通。希望看到上升流强时初级生产和向下输出的碳通量的测量。

“但是,别忘记了上升流在带来高营养盐的同时,也把深层高的CO2水带到表层,释放到大气当中。”

即使深层高的CO2水被带到表层,是否也不见的CO2会全部(或大部)释放到大气当中,因为CO2在海面的水/气交换受到平衡方程限制?希望看到在上升流区的海面的碳通量的测量。

WHOI你们系的Zhaohui(Alecx)Wang老师是不是测量海水CO2的专家?
 楼主| zhoukuanbo 发表于 2010-12-9 02:02:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 jlinwhoi 于 2011-2-13 23:23 编辑

其实这个问题由Alex Wang 老师来回答更好,他是这方面的专家。
我自己也查了一些资料。其实不同的upwelling地区其CO2的源汇是不一样的。
但是在赤道地区,主要是CO2的源,这个是比较清楚的。我把Columbia大学的Takahashi教授的图附在下面。
这说明生物泵加强了,但是有物理作用所带来的CO2  Evasion,显然是超过了生物泵的作用。

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 楼主| zhoukuanbo 发表于 2010-12-9 02:03:19 | 显示全部楼层
我贴了一张图,为啥只显示半个阿?
jlinwhoi 发表于 2010-12-9 11:25:39 | 显示全部楼层
本帖最后由 jlinwhoi 于 2010-12-9 11:26 编辑
其实这个问题由Alex Wang 老师来回答更好,他是这方面的专家。
我自己也查了一些资料。其实不同的upwellin ...
zhoukuanbo 发表于 2010-12-9 02:02

我给WHOI海洋化学与地球化学系的王朝辉(Zhaohui Aleck Wang)老师发了电子信件,希望他能参加JoyOcean的讨论。
 楼主| zhoukuanbo 发表于 2010-12-9 12:04:44 | 显示全部楼层
太好了,有专家进来,定能激起一些热点问题的讨论
SunZhen 发表于 2010-12-10 21:08:36 | 显示全部楼层
先坐下来学习,等有了点积累,再问问题!
 楼主| zhoukuanbo 发表于 2011-1-3 12:22:38 | 显示全部楼层
回复 9# SunZhen


    孙老师,不用积累的,有什么问题一定要问阿,引用一个大科学家的话:

The only stupid question is the one you did not ask.

marsciwang 发表于 2011-1-8 12:25:39 | 显示全部楼层
Hi, Everyone

Thank you for the invitation.
It's not very easy to type in Chinese with my laptop. So I am just going to say it in English. Sorry.

One question for everyone: I thought during the El Nino year, the upwelling along the eastern equatorial Pacific should be weakened, not strengthened, due to warmer temperature that causes more stratification at the surface. There is a warm-pool in the western Pacific along the Equator. During the normal years, this pool sits at western equatorial Pacific (Philippine), but during the El Nino year, this pool moves eastwards that unfavors upwelling conditions in the eastern equatorial Pacific (near Peru coast). I thought it may be the La Nino year that the upwelling is strengthened. Am I wrong about it. I'm not a ENSO specialist.

Anyway, about CO2 source/sink issue in the upwelling area, it is a very complicated issue, as you already know. But like equatorial Pacific and Atlantic, since upwelling is a persistent feature throughout the year, they are CO2 source areas. Even primary production (CO2 draw-down process) may be high in these areas, but persistent high DIC, low pH, and high pCO2 water stays at the surface most time of the year, and creates a net CO2 evasion on an annual basis. Phytoplankton is normally not C limited, so that DIC in sw will never drop as significantly as for nutrients. In persistent upwelling area, high CO2 and DIC from deep water makes the high CO2 uptake by Primary Producers dwarf in a sense. Also there are other factors that control pCO2 level at surface, such as temperature, respiration, calcification, riverine input, mixing etc. pCO2 is a net signal created by the action of all controlling factors. It comes down to which factors will dominate others at the end.

However, in intermittent upwelling area (upwelling only occurs  in certain time of the year), it will be harder to say if the system is a CO2 source or sink on an annual basis. For example, U.S. West Coast, an intermittent upwelling area, is likely an annual CO2 sink, because CO2 uptake by PP is dominating over other CO2 release processes and upwelling in summer. And low temperature in winter (non-upwelling period) actually lowers surface pCO2 level as well. This causes the system to be an annual CO2 sink.

Hope this make sense to you.

Best,
Zhaohui 'Aleck' Wang
 楼主| zhoukuanbo 发表于 2011-1-8 12:57:55 | 显示全部楼层
回复 11# marsciwang
谢谢,Alex老师给我们的解答。
那也就是说赤道太平洋的上升流基本就是CO2的源,而其他上升流地方就不一定了,可以是CO2的源,也可以是CO2的汇。
我一直觉得上升流地区的研究很重要。我搞清楚里面的机制问题还真是不容易啊。
jlinwhoi 发表于 2011-1-8 16:21:53 | 显示全部楼层
本帖最后由 jlinwhoi 于 2011-1-8 16:28 编辑

回复 11# marsciwang

非常感谢王朝辉老师的分析、解释。
jlinwhoi 发表于 2011-1-8 17:12:40 | 显示全部楼层
本帖最后由 jlinwhoi 于 2011-1-8 17:36 编辑
One question for everyone: I thought during the El Nino year, the upwelling along the eastern equatorial Pacific should be weakened, not strengthened ... I thought it may be the La Nino year that the upwelling is strengthened ...
marsciwang 发表于 2011-1-8 12:25


王老师以上描述是对的。以下引自 NOAA National Weather Service Forecast Office, Flagstaff, Azirona: http://www.wrh.noaa.gov/fgz/science/lanina.php?wfo=fgz

1. 平常,非厄尔尼诺(El Niño)年份
"In normal, non-El Niño conditions ..., the trade winds blow toward the west across the tropical Pacific Ocean. These winds pile up warm surface water in the west Pacific, so that the sea surface is about 1/2 meter higher at Indonesia than at Ecuador.

The sea surface temperature is about 8 degrees C higher in the west, with cool temperatures off South America, due to an upwelling of cold water from deeper layers. This cold water is nutrient-rich, supporting a diverse marine ecosystem and major fisheries. Rainfall is found in rising air over the warmest water in the western Pacific, and the east Pacific is relatively dry."

2. 厄尔尼诺(El Niño)年份
"During El Niño ..., the trade winds relax in the central and western Pacific leading to a movement to the east of the warm pool of water. This warm pool of water moves eastward until it spreads across the entire Pacific Ocean. The normally cool water located off the South American coast is replaced by much warmer waters, and without the trade winds, the upwelling which supplies the cooler sub-surface ocean water is weakened. This leads to the warm SSTs ..., with the strongest deviations from normal just off the South American coastline. Rainfall follows the warm water eastward, with associated flooding in Peru and drought in the normally wet regions of Indonesia and Australia."

3. 拉尼娜(La Niña)年份
"During La Niña, the trade winds strengthen in the central and eastern Pacific leading to increased upwelling along the South American coast. This cooler pool of water then spreads westward, due to the increased trade winds until it spreads across much of the eastern Pacific Ocean near the equator. The normally cool water located off the South American coast becomes increasingly cooler as the upwelling strengthens, and more sub-surface ocean water is brought to the surface. This leads to the cool SSTs ..., with the strongest deviations from normal just off the South American coastline and along the equator... Rainfall and rising motion are enhanced over the warm water over the western Pacific, with associated flooding in Indonesia and Australia. The sinking motion over the eastern Pacific is strengthened further, leading to a supression of rainfall and dry conditions over portions of South America."
yourgod_mwt_cn 发表于 2011-2-13 12:06:16 | 显示全部楼层
本帖最后由 jlinwhoi 于 2011-2-13 23:20 编辑

回复 2# jlinwhoi
    林老师说厄尔尼诺年时中美洲赤道上升流加强我不是很理解。当El Nino发生时,东太平洋的SST应该是升高,对应南半球东南信风减弱,温跃层变深。上升流应该减弱才对。根据Lamont的Takahashi教授的结果(Deep-Sea Research II, 2002 ),在正常年份下,一些上升流区(包括东赤道太平洋,阿拉伯半岛岸外)是大气CO2的源。总体看来低纬海区是CO2的源,而高纬海区是汇,应该主要还是受溶解泵的控制。海气交换的通量由二者的CO2分压(pCO2)差控制:F=k*a*(DpCO2)air-sea,其中k为piston velocity,与表面风场有关,a为CO2溶解度,与海水的温度,盐度有关。


   从Takahashi的图来看,现代南大洋是CO2的汇。但从冰期—间冰期旋回的尺度上来看,CO2有80-100ppm的变化幅度。环南极洋流(ACC)区域的物理变化起着重要作用。在古气候研究中,有一种观点认为,间冰期时CO2升高的主要原因是AAC区域海水通风性加强,被保存在深水中的碳被搅起并释放到大气中。


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jlinwhoi 发表于 2011-2-13 23:43:16 | 显示全部楼层
本帖最后由 jlinwhoi 于 2011-2-13 23:55 编辑

回复 15# yourgod_mwt_cn
您说的对,厄尔尼诺(El Niño)年份时,中美洲赤道上升流应该是减弱才对。这一点WHOI的王朝辉老师(marsciwang)已在帖子11#中指出。我在帖子14#中也查询证实。

拉尼娜(La Niña)年份才是中美洲赤道上升流加强的时候(见帖子14#)。我也正在了解全球变化的这些基本概念。

另,我已把你原来1.7mb的图片换成了244kb的同样图片;这样显示快些。周宽波在帖子5#中显示了Takahashi教授的另一版本的图片。
earthobserv 发表于 2011-3-29 14:40:11 | 显示全部楼层
浮游植物吸收CO2合成有机物。只有当浮游植物死亡后沉向海底,才能将部分C输出真光层,从而影响全球的C循环。
但是,在上升流区域,深层营养盐被带到表层供给浮游植物生长,同样也会吸收大量的CO2,而且这些C会通过食物网传到高等生物,应该也会影响到全球碳循环。
不知各位如何看待这部分贡献?
 楼主| zhoukuanbo 发表于 2011-7-1 21:09:46 | 显示全部楼层
回复 17# earthobserv

这部分贡献应该不大,一般输出生产力是初级生产力的10%左右,但是传到高等生物那就微乎其微了。 按照营养级理论,传到第3级,就只剩下1%的能流了
Egolym 发表于 2011-8-31 16:54:13 | 显示全部楼层
回复 15# yourgod_mwt_cn

这个图很明显的显示了Upwelling区是CO2的源哦......唉,生命的力量还是渺小...
Egolym 发表于 2011-8-31 16:55:34 | 显示全部楼层
回复 17# earthobserv

绝大部分的settling particles还是来源于浮游植物。
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