Fizyka na nieznanych wodach: tajemnice morskiego śniegu

Czy „śnieg” może padać w oceanie i decydować o klimacie całej planety? Okazuje się, że tak. Badania naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, opublikowane w „Journal of Fluid Mechanics” pomagają zrozumieć, jak mikroskopijne „płatki” martwej materii zderzają się i opadają w głębiny, transportując ogromne ilości węgla i wpływając na tempo globalnego ocieplenia.

Różnorodność „morskich śnieżynek” obserwowanych w oceanach obejmuje ich kształty, rozmiary, gęstość oraz pochodzenie. (Źródło: zdjęcie dzięki uprzejmości prof. Emilii Trudnowskiej, Instytut Oceanologii PAN).

W wodach oceanów nieustannie opadają cząstki martwej materii organicznej. Ze względu na swoje nieregularne, przypominające płatki śniegu kształty określane są mianem „morskiego śniegu”. Wraz z ich ruchem ku dnu ogromne ilości węgla transportowane są z powierzchni oceanu, gdzie rozpuszcza się atmosferyczny dwutlenek węgla, do głębszych warstw wody. Jest to jedno z istotnych zjawisk kontrolujących obieg węgla w atmosferze, a zatem proces ogrzewania się naszej planety.

To, jaka ilość węgla ostatecznie dotrze na dno oceanu, zależy od dynamiki sedymentacji, która nadal pozostaje słabo poznana. W trakcie opadania cząstki „morskiego śniegu” mogą zderzać się i sklejać ze sobą, co zmienia tempo ich tonięcia. Kluczowe znaczenie ma więc odpowiedź na pytanie: jak często dochodzi do takich kolizji?

Jak dotąd odpowiedzi ograniczały się do konkretnych, uproszczonych sytuacji, a zakres stosowalności tych przybliżeń nie był jasno określony. Nowe badania opublikowane w „Journal of Fluid Mechanics” (JFM), pokazują, jak pogodzić istniejące modele i pozwalają na dokładniejsze wyznaczenie częstości kolizji, co pozwoli na lepsze zbadanie roli agregacji w procesach depozycji węgla w oceanach.

Autorzy zweryfikowali modele teoretyczne stosowane dotychczas w oceanografii i morskiej ekologii. Według nich śnieżynki mogą zderzać się na dwa sposoby: poprzez ruchy Browna – chaotyczne drgania drobin w ośrodku – oraz poprzez bezpośrednie „zgarnianie” wolniejszych, małych cząstek przez te większe, sedymentujące szybciej. Jeśli tylko jeden z tych mechanizmów dominuje, liczba kolizji jest łatwa do wyznaczenia, jednak w prawdziwym morskim śniegu oba te mechanizmy odgrywają rolę i pogodzenie podejść pochodzących z różnych dziedzin do tej pory umykało badaczom.

Pełną analizę umożliwiają symulacje komputerowe uwzględniające oba mechanizmy kolizji jednocześnie. Częstość zderzeń zależy wtedy od rozmiaru obu cząstek, ich względnej prędkości opadania oraz współczynnika dyfuzji. Uzyskane wyniki potwierdziły, że do poprawnego wyznaczania częstości zderzeń koniecznie jest uwzględnienie obu mechanizmów, zarówno dyfuzyjnego błądzenia małych drobinek, jak i bezpośredniego przechwytywania przy opadaniu. Wykorzystanie tylko jednego z nich do modelowania zderzeń, zgodnie z obecnym paradygmatem, może powodować nawet stukrotne niedoszacowanie częstości kolizji.

– Sprawdziliśmy poprawność jedynej obecnie stosowanej metody łączenia obu zjawisk, opartej na sumowaniu częstości zderzeń – wyjaśnia Jan Turczynowicz, student Wydziału Fizyki UW, pierwszy autor publikacji. – Nasze analizy pokazują, że metoda ta obarczona jest błędem nieprzekraczającym 20 proc. W realiach skomplikowanych pomiarów oceanograficznych jest to wynik satysfakcjonujący, jednak nie jest on ścisły i stawia pod znakiem zapytania powszechnie stosowane sumowanie częstości od kolejnych mechanizmów, które mogą prowadzić do znacznie większych błędów.

Po poznaniu granic stosowalności zderzeń brownowskich względem tych wynikających bezpośrednio z sedymentacji, można było zbadać, kiedy dany mechanizm zaczyna dominować. Co ciekawe, obliczenia wykazały, że granica między dominującymi mechanizmami kolizji niemal pokrywa się z umownym rozgraniczeniem między piko- a nanoplanktonem, stosowanym w naukach biologicznych.

Zjawisko morskiego śniegu, pomimo 50 lat badań i jego istotności dla zrozumienia zmian klimatu, nadal skrywa wiele niewiadomych. Jedną z przyczyn jest ogromna różnorodność rozmiarów i gęstości „śnieżynek”, przez co istotne procesy zachodzą w bardzo różnych skalach. Teoretyczne analizy przeprowadzone przez zespół pozwalają na stworzenie dokładniejszego opisu tych zjawisk, uwzględniającego odmienne reżimy dynamiki sedymentacji i zderzeń cząstek.

PUBLIKACJA NAUKOWA:

KONTAKT:

POWIĄZANE STRONY WWW:

MATERIAŁY GRAFICZNE: