Estimates of Arctic Ocean air-sea carbon fluxes for the period 2000–2017 from atmospheric inverse analyses
باستخدام نظام التحليل العكسي GEOS-Chem-LETKF وملاحظات ثاني أكسيد الكربون الجوي من عام 2000 إلى عام 2017، تُقدّر هذه الدراسة متوسط صافي امتصاص ثاني أكسيد الكربون بـ 56.0 ± 8.0 تيراغرام كربون سنوياً بواسطة المحيط المتجمد الشمالي، مع تسليط الضوء على التأثير الحاسم لمحطات رصد محددة والحاجة الملحة لتوسيع شبكة الرصد الإقليمية من أجل تقديرات تدفق أكثر قوة.
المؤلفون الأصليون:Jayashree Ghosh, Parvadha Suntharalingam, Zhaohui Chen, Jan Kaiser
تخيل الأرض كمنزل عملاق يتنفس. لعقود من الزمن، حاول العلماء معرفة مقدار "العادم" الذي نضخه نحن البشر في الهواء — وتحديداً ثاني أكسيد الكربون (CO2) — وكيف يمتصه كوكب الأرض عبر رئتيه. إحدى أهم هذه الرئات هي المحيط. فعندما يذوب ثاني أكسيد الكربون في مياه البحر، يكون الأمر أشبه بالمحيط وهو يأخذ نفساً عميقاً، حيث يسحب الغاز من الغلاف الجوي ويخزنه بعيداً. هذه العملية حيوية لأنها تبطئ من حمى ارتفاع حرارة الكوكب. ومع ذلك، فإن المحيط المتجمد الشمالي هو رئة جليدية معقدة؛ فهو مغطى بجليد عائم يظهر ويختفي، ومحاط بأراضٍ تذوب وتغمر المحيط بالمياه العذبة. ولأن الوصول إليه وقياس الأشياء فيه بشكل مباشر أمر صعب للغاية، فقد كان العلماء يخمنون مدى كفاءة عمل هذه الرئة الجليدية. وهم يستخدمون طريقتين رئيسيتين للتخمين: النظر إلى الماء نفسه (من الأسفل إلى الأعلى) أو النظر إلى الهواء فوقه (من الأعلى إلى الأسفل). هذه الورقة البحثية تدور حول نهج "من الأعلى إلى الأسفل"، وهو أشبه بمحاولة معرفة كم أكل شخص ما عن طريق قياس كمية الهواء الذي زفره، بدلاً من وزن بقايا طعامه.
قرر الباحثون في هذه الدراسة إلقاء نظرة جديدة على النظام الغذائي للكربون في المحيط المتجمد الشمالي للفترة من عام 2000 إلى 2017. لقد استخدموا نظاماً حاسوبياً فائق الذكاء يسمى GEOS-Chem-LETKF، والذي يعمل مثل محقق عملاق. يأخذ هذا المحقق قياسات ثاني أكسيد الكربون من محطات الهواء في جميع أنحاء العالم ويعمل بشكل عكسي ليعرف من أين جاء هذا الغاز أو أين ذهب. وقد وجدوا أن المحيط المتجمد الشمالي هو بالفعل آكل نهم للكربون، حيث يعمل كإسفنجة صافية تسحب ثاني أكسيد الكربون من الهواء. وفي المتوسط، خلال تلك السنوات الثماني عشرة، امتص المحيط حوالي 56.0 ± 8.0 تيجاغرام كربون سنوياً. وهذا الرقم أكبر بكثير من "تخمينهم الأفضل" الأولي (الذي يسمى التقدير المسبق) البالغ 30.19 ± 13.8 تيجاغرام كربون سنوياً، مما يشير إلى أن المحيط أكثر فائدة في تبريد الكوكب مما كان يُعتقد سابقاً.
ولكن هنا تكمن الحبكة في القصة: عمل المحقق يعتمد كلياً على الأدلة التي لديه. فقد أدرك الفريق أن تخمينهم "من الأعلى إلى الأسفل" كان متأثراً بشدة بعدد صغير جداً من محطات الهواء الواقعة في أقصى الشمال. ولاختبار ذلك، لعبوا لعبة "ماذا لو". قاموا بتشغيل نموذجهم الحاسوبي مرة أخرى، لكن هذه المرة تظاهروا بأن محطات معينة غير موجودة. فعندما أزالوا البيانات من محطة في "أليرت" بكندا (ALT)، انخفض مقدار الكربون الذي أكله المحيط بشكل كبير بمقدار 31 ± 7.3 تيجاغرام كربون سنوياً. وكأن المحقق قد نسي فجأة دليلاً رئيسياً وظن أن المحيط يأكل أقل بكثير مما يفعله في الواقع. ومن ناحية أخرى، عندما أزالوا البيانات من محطة في "تيكسي" بروسيا (TIK)، ارتفع التقدير بالفعل بمقدار 3.2 ± 9.0 تيجاغرام كربون سنوياً.
تشير الورقة البحثية إلى أن الشبكة الحالية لمحطات الهواء في القطب الشمالي شحيحة للغاية بحيث لا يمكن الاعتماد عليها تماماً. الأمر أشبه بمحاولة حل لغز بوجود شاهدين أو ثلاثة فقط؛ فإذا توقف أحدهم عن الكلام أو قدم قصة مختلفة، فإن الحل بأكمله سيتغير. ويشير المؤلفون إلى أن محطة "تيكسي" قد توقفت بالفعل عن تقديم البيانات بعد عام 2018، وهو أمر يمثل مشكلة لأن عمليات المحاكاة التي أجروها أظهرت أنها كانت قطعة حاسمة في اللغز لفهم كيفية تعامل أجزاء مختلفة من القطب الشمالي، مثل بحر بارنتس ومنصة بوفورت، مع الكربون. وبينما تؤكد الدراسة أن المحيط المتجمد الشمالي هو بال بالفعل بالوعة كربون كبيرة، إلا أنها تحذر من أنه بدون توسيع شبكة محطات الهواء للحصول على المزيد من العيون في السماء، فإن تقديراتنا لكيفية امتصاص الكربون ستظل مهتزة. إن المحيط يقوم بعمله، لكننا بحاجة إلى أدوات أفضل لقياس مدى جودة قيامه بذلك بالضبط.
ملخص تقني: تقديرات تدفقات الكربون بين المحيط والهواء في المحيط المتجمد الشمالي (2000–2017) من التحليلات العكسية للغلاف الجوي
بيان المشكلة يعد التحديد الدقيق لكميات تدفقات الكربون بين الهواء والمحيط في المحيط المتجمد الشمالي أمراً ضرورياً لفهم دور المنطقة في دورة الكربون العالمية، لا سيما في ظل تغير المناخ السريع. وبينما يُقدر أن المحيط المتجمد الشمالي يمثل 5% إلى 14% من الامتصاص العالمي لثاني أكسيد الكربون في المحيطات، تشير التحليلات الأخيرة إلى أن هذه الإمكانية قد تتضاءل بسبب زيادة الطبقية الناتجة عن المياه العذبة وانخفاض التخزين الملحي. تعتمد التقديرات الحالية بشكل كبير على طرق "من الأسفل إلى الأعلى" (استيفاء pCO2 السطحي ونماذج الكيمياء الحيوية) أو التحليلات العكسية الجوية "من الأعلى إلى الأسفل". ومع ذلك، فإن تقديرات التحليل العكسي الجوي حساسة للغاية لكثة وتوزيع شبكات الرصد مكانياً. وفي المحيط المتجمد الشمالي، يلاحظ ندرة ملحوظة في التغطية الرصدية، كما أن النقل الجوي معقد، مما يؤدي إلى عدم يقين كبير في تقديرات التدفق الإقليمي. وهناك نقص في التقييم المنهجي حول كيفية قيام محطات الرصد المحددة في المحيط المتجمد الشمالي بتقييد التقديرات العكسية لتدفق ثاني أكسيد الكربون بين الهواء والبحر.
المنهجية تستخدم هذه الدراسة نظام تحليل عكسي يعتمد على نموذج (GEOS-Chem-Local Ensemble Transform Kalman Filter - GCL) لتقدير تدفقات ثاني أكسيد الكربون بين الهواء والبحر في المحيط المتجمد الشمالي (المعرف بأنه أكبر من 58 درجة شمالاً، مع دمج أقنعة RECCAP2 الإقليمية) للفترة 2000–2017.
إعداد النموذج: يعمل نموذج كيمياء الغلاف الجوي GEOS-Chem (الإصدار 11-01) بدقة أفقية تبلغ 2° × 2.5° مع 47 مستوى رأسياً، مدفوعاً ببيانات الأرصاد الجوية من GEOS-5.
استيعاب البيانات: يقوم مرشح كالمان لتحويل المجموعة المحلية (LETKF) باستيعاب التركيزات الجزيئية لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من شبكة NOAA ESRL GLOBALVIEWplus ObsPack v4.2 (116 موقعاً سطحياً عالمياً) بفواصل زمنية مدتها 7 أيام.
التدفقات الأولية: يستخدم النظام تدفقات أولية تشمل انبعاثات الوقود الأحفوري (Chevallier et al.)، والتبادلات الحيوية البرية (JULES)، وتدفقات ثاني أكسيد الكربون بين الهواء والبحر المستمدة من Landschützer et al. (بناءً على توزيعات SOCATv2 pCO2).
تحليل الحساسية: لتقييم تأثير شبكة الرصد، أجرى المؤلفون تجارب حساسية لعام 2017. تضمنت هذه التجارب إزالة مجموعات فرعية محددة من المحطات:
NO-ARCTIC: إزالة جميع محطات المحيط المتجمد الشمالي.
NO-ALT: إزالة محطة أليرت (ALT) (كندا).
NO-TIK: إزالة محطة تيكسي (TIK) (روسيا).
ALLGV: الشبكة الكاملة بما في ذلك جميع المحطات.
النتائج الرئيسية
متوسط التدفق طويل الأمد (2000–2017): يشير تحليل GCL اللاحق إلى صافي امتصاص ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بواسطة المحيط المتجمد الشمالي بمقدار 56.0 ± 8.0 تيجا جرام كربون سنوياً. وهذا أكبر بكثير في المقدار من تقدير التدفق الأولي البالغ 30.19 ± 13.8 تيجا جرام كربون سنوياً، مما يشير إلى أن الملاحظات الجوية توجه النظام نحو قيم امتصاص أعلى.
التباين الإقليمي:
مناطق الامتصاص العالي: يحدث أكبر امتصاص لثاني أكسيد الكربون في خليج بافن (−15.51 ± 1.55 تيجا جرام كربون سنوياً)، وبحر غرب جرينلاند (−14.82 ± 0.81 تيجا جرام كربون سنوياً)، وبحر بارنت (−11.16 ± 1.5 تيجا جرام كربون سنوياً)، ووسط المحيط المتجمد الشمالي (−9.84 ± 0.75 تيجا جرام كربون سنوياً).
الامتصاص المنخفض/غير المؤكد: تظهر الأرخبيل الكندي، وجرف بو فورت، وبحر تشوكشي، وبحر لابتيف امتصاصاً متوسطاً، بينما تظهر بحار شرق سيبيريا وكارا امتصاصاً ضعيفاً جداً.
الموسمية: يحدث أقصى امتصاص في الصيف (JJA)، خاصة في بحر تشوكشي، مدفوعاً بتراجع الجليد البحري والإنتاجية البيولوجية. وتكون تدفقات الشتاء (DJF) قريبة من الصفر في الحوض المركزي بسبب غطاء الجليد البحري، بينما تستمر المياه المفتوحة في غرب جرينلاند وبحر بارنت في امتصاص ثاني أكسيد الكربون.
التباين بين السنوات (IAV) والاتجاهات: تكشف تقديرات GCL عن تباين بين السنوات (IAV) أعلى من التدفقات الأولية، لا سيما في خليج بافن والأرخبيل الكندي. ويشير تحليل الاتجاه للفترة 2000–2017 إلى تعزيز امتصاص ثاني أكسيد الكربون في معظم المناطق، مع اتجاه إجمالي للمحيط المتجمد الشمالي قدره −36.8 ± 6.9 تيجا جرام كربون سنوياً لكل عقد. ويظهر بحر غرب جرينلاند أقوى اتجاه إقليمي (−14.5 ± 2.4 تيجا جرام كربون سنوياً لكل عقد).
الحساسية لمحطات الرصد (2017):
أهمية الشبكة: تؤدي إزالة جميع محطات المحيط المتجمد الشمالي (NO-ARCTIC) إلى تدفق لاحق (−40.73 تيجا جرام كربون سنوياً) يكاد يكون متطابقاً مع التدفق الأولي (−40.59 تيجا جرام كربون سنوياً)، مما يؤكد أن محطات المحيط المتجمد الشمالي ضرورية لتقييد التحليل العكسي.
محطة ALT (أليرت، كندا): تؤدي إزالة ALT إلى تقليل تقدير إجمالي امتصاص المحيط المتجمد الشمالي بمقدار 31 ± 7.3 تيجا جرام كربون سنوياً (من −63.24 إلى −32.14 تيجا جرام كربون سنوياً) وتزيد من حالة عدم اليقين بشكل كبير.
محطة TIK (تيكسي، روسيا): تؤدي إزالة TIK إلى زيادة تقدير إجمالي امتصاص المحيط المتجمد الشمالي بمقدار 3.2 ± 9.0 تيجا جرام كربون سنوياً.
الحساسية الإقليمية: تؤدي إزالة محطات معينة إلى تغيير جذري في تقديرات التدفق لمناطق فرعية محددة. فعلى سبيل المثال، في خليج بافن، تؤدي إزالة كل من ALT أو TIK إلى تقليل الامتصاص بمقدار ~15–17 تيجا جرام كربون سنوياً. وعلى العكس من ذلك، في بحر غرب جرينلاند، تزيد إزالة TIK من الامتصاص بمقدار ~9.4 تيجا جرام كربون سنوياً.
الأهمية والادعاءات يزعم البحث أن الشبكة الحالية لمحطات رصد ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في المحيط المتجمد الشمالي توفر قيداً حيوياً للتقديرات العكسية لتدفقات الكربون بين الهواء والبحر إقليمياً. وتوضح الدراسة أن تقديرات تدفق GCL اللاحقة حساسة للغاية لإدراج أو استبعاد محطات معينة، وخاصة أليرت (ALT) وتيكسي (TIK).
ويسلط المؤلفون الضوء على فجوة بيانات حرجة: حيث لم تعد ملاحظات ثاني أكسيد الكربون الجوية من محطة تيكسي متاحة في قاعدة بيانات GlobalView للسنوات التي تلت عام 2018. ويشير تحليل الحساسية إلى أن فقدان هذه السلسلة الزمنية يزيل قيداً مهماً لتقدير تدفقات الكربون السطحية في عدة بحار إقليمية (بما في ذلك بحر غرب جرينلاند، وجرف بو فورت، وبحر كارا، وبحر بارنت). وبناءً على ذلك، تخلص الورقة إلى أن توسيع الشبكة الحالية المتباعدة لمحطات رصد ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ضروري للحصول على تقديرات أكثر قوة وموثوقية لتدفقات ثاني أكسيد الكربون بين الهواء والبحر في بيئة المحيط المتجمد الشمالي سريعة التغير.