How Uncertain Are Estimates of Marine Carbon Dioxide Removal? Insights from a Simplified Model

Resumen Técnico: ¿Qué tan inciertas son las estimaciones de la eliminación de dióxido de carbono marino? Perspectivas de un modelo simplificado

Planteamiento del problema
Las técnicas de eliminación de dióxido de carbono marino (mCDR), específicamente el aumento de la alcalinidad oceánica (OAE) y la eliminación directa del océano (DOR), dependen de la reducción de la presión parcial de CO2 en la superficie del océano para absorber el CO2 atmosférico. Si bien la eficiencia máxima teórica de estas intervenciones es conocida (por ejemplo, ~0,8 mol de CO2 por mol de alcalinidad para OAE), la evolución temporal de la eliminación de carbono es altamente sensible a los procesos físicos y biogeoquímicos. Las estimaciones actuales de la eficacia de la mCDR dependen en gran medida de los modelos oceánicos, pero las incertidumbres inherentes a estos modelos —particularmente respecto a la mezcla vertical, el intercambio de gases aire-mar y las propiedades de las masas de agua— se desconocen profundamente. Los modelos globales existentes suelen emplear parametrizaciones fijas que pueden subestimar la variabilidad natural, y su complejidad dificulta el aislamiento de los mecanismos específicos que impulsan la incertidumbre en los cálculos de CDR. Esta falta de cuantificación de la incertidumbre plantea un desafío fundamental para los marcos de Monitoreo, Reporte y Verificación (MRV) y para el cronograma de neutralidad de carbono neta para los proyectos de mCDR.

Metodología
Para examinar sistemáticamente estas incertidumbres, el estudio emplea un modelo oceánico abiótico de una dimensión (1D). Este enfoque de complejidad reducida aísla los procesos verticales (difusión turbulenta e intercambio de gases aire-mar) mientras ignora la advección horizontal, la subducción y las interacciones biológicas. El modelo evoluciona la Alcalinidad Total (TA) y el Carbono Inorgánico Disuelto (DIC) a lo largo del tiempo, calculando el flujo de CO2 superficial basado en el intercambio de gases aire-mar.

El estudio utiliza dos marcos analíticos principales:

1. Simulaciones de Sensibilidad: Se perturban parámetros individuales del modelo (por ejemplo, profundidad de la capa de mezcla, velocidad del viento, coeficiente de transferencia de gas, difusividad de la picnoclina, TA/DIC de fondo, profundidad de despliegue) mediante valores consistentes con la variabilidad natural observada. Estos se comparan con una simulación de referencia para determinar la "relación de sensibilidad de CDR" ($r_{CDR}$), definida como la relación entre la CDR en una ejecución de sensibilidad y la ejecución de referencia.
2. Ensembles de Monte Carlo: Se ejecutan simultáneamente más de 1,000 pares de simulaciones (línea base e intervención), con parámetros extraídos aleatoriamente de distribuciones estadísticas que representan la variabilidad oceánica observada. Este enfoque evalúa cómo las incertidumbres combinadas en los procesos físicos y las propiedades de la masa de agua se manifiestan en las estimaciones de CDR.

Las simulaciones se realizan para profundidades oceánicas de 200 m y 2,000 m durante un período de 50 años para evaluar el impacto de la profundidad en la persistencia de la incertidumbre.

Resultados Clave
El estudio identifica tres regímenes temporales distintos que gobiernan la incertidumbre de la CDR:

1. Equilibrio Rápido Inicial ($t \ll \tau_{mix}$): Durante los primeros años, las estimaciones de CDR son altamente sensibles a los parámetros que controlan la escala de tiempo inicial del intercambio de gases aire-sea ($\tau_{air-sea}$), incluyendo la profundidad de la capa de mezcla, la velocidad del viento, los coeficientes de transferencia de gas y la química de carbonatos de fondo (TA, DIC, temperatura). Durante esta fase, las estimaciones de CDR pueden variar por un factor de dos dependiendo de los sesgos de los parámetros.
2. Pérdida de Alcalinidad de la Capa de Mezcla ($t \approx \tau_{mix}$): A medida que la mezcla vertical elimina la alcalinidad de la superficie, las incertidumbres pasan a estar dominadas por la interacción entre la escala de tiempo de intercambio aire-mar y la escala de tiempo de mezcla ($\tau_{mix}$). Las incertidumbres en la difusividad de la picnoclina ($\kappa_{pyc}$) se vuelven críticas, causando que las estimaciones de CDR alcancen su pico de variabilidad (hasta un 30%) 2 a 3 años después del despliegue.
3. Mezcla Profunda ($t \gg \tau_{mix}$): A largo plazo, las incertidumbres persisten durante décadas si la escala de tiempo de la mezcla hacia el océano profundo es comparable o más rápida que la de equilibrio aire-mar. El estudio encuentra que la incertidumbre en la difusividad de la picnoclina es el factor dominante para la incertidumbre de la CDR a largo plazo, ya que controla tanto la fracción de alcalinidad equilibrada antes de la subducción profunda como la tasa a la que las aguas profundas no equilibradas regresan a la superficie.

Hallazgos Cuantitativos:

• Magnitud de la Incertidumbre: En los primeros años, las estimaciones de CDR pueden diferir hasta un 100% (un factor de dos) de la simulación de referencia. Para los 20–50 años, esto se reduce a un 10–20%, aunque persiste una incertidumbre significativa para los despliegues en el océano profundo.
• Profundidad de Despliegue: Desplegar la alcalinidad por debajo de la capa de mezcla (incluso por 20–40 m) resulta en una eficiencia significativamente menor y una mayor incertidumbre, con algunas estimaciones permaneciendo muy por debajo de la simulación de referencia incluso después de 50 años.
• Cronograma de Neutralidad Neta: El tiempo requerido para que una intervención sea netamente negativa en carbono (contabilizando los costos de Evaluación de Ciclo de Vida) es altamente variable. Mientras que un caso de referencia sugiere ~1.4 años, el ensemble de Monte Carlo muestra una amplia distribución: ~30% de las simulaciones alcanzan la neutralidad neta en menos de un año, 50% tardan más de 2 años, y ~4% tardan más de 50 años. Esta "cola larga" se asocia principalmente con despliegues profundos o una mezcla rápida que impide el equilibrio temprano.
• Dependencia de la Profundidad: Las incertidumbres persisten más tiempo en océanos de 2,000 m de profundidad en comparación con los de 200 m, donde toda la columna de agua puede equilibrarse dentro del marco temporal de la simulación.

Significado y Reivindicaciones
El artículo argumenta que las incertidumbres en las estimaciones de mCDR no son meramente transitorias, sino que pueden persistir durante décadas debido a las escalas de tiempo de la mezcla interior en relación con el intercambio de gases aire-mar. Los autores afirman que estos resultados identifican un desafío fundamental para las simulaciones de mCDR regionales y globales, donde los procesos físicos gobernantes a menudo están poco restringidos.

Específicamente, el estudio destaca que:

• Implicaciones para MRV: La incertidumbre en la evolución temporal de la eliminación de carbono impacta directamente en el cronograma de la neutralidad neta, lo cual es crítico para los marcos de acreditación de carbono. Sin una cuantificación adecuada de las incertidumbres, la adjudicación de créditos de carbono puede ser prematura o inexacta.
• Limitaciones de los Modelos: Los modelos oceánicos actuales a menudo dependen de parametrizaciones para la turbulencia y el intercambio de gases que están sujetas a sustanciales sesgos espaciales y temporales. El estudio sugiere que validar estos procesos físicos específicos (mezcla y transferencia de gas) es más crítico para la mCDR que para las proyecciones climáticas generales.
• Estrategia de Despliegue: Los resultados enfatizan la necesidad de asegurar que la alcalinidad se despliegue estrictamente dentro de la capa de mezcla superficial para maximizar la eficiencia y minimizar la incertidumbre.

Los autores mantienen un alcance modesto, señalando que su modelo 1D excluye la advección horizontal y las retroalimentaciones biológicas, que podrían introducir más incertidumbres. Sin embargo, concluyen que, incluso en un sistema abiótico, las incertidumbres derivadas de los procesos físicos por sí solas son lo suficientemente significativas como para justificar una investigación adicional seria para asegurar que las intervenciones de mCDR sean genuinamente negativas en carbono en escalas de tiempo decenales.