Integrating laboratory-based secondary precipitation thresholds with ocean biogeochemistry models to advance ocean alkalinity enhancement decision-making

Resumen Técnico: Integración de Umbrales de Precipitación Secundaria Basados en Laboratorio con Modelos de Biogeoquímica Oceánica

Planteamiento del Problema
El Aumento de la Alcalinidad Oceánica (OAE, por sus siglas en inglés) es una estrategia de eliminación de dióxido de carbono marino (mCDR) que incrementa la alcalinidad del agua de mar para mejorar la captación de CO₂ atmosférico. Sin embargo, su eficacia se ve comprometida por la precipitación abiótica secundaria, donde la alcalinidad añadida reacciona para formar minerales sólidos (principalmente carbonato de calcio, CaCO₃, e hidróxido de magnesio, Mg(OH)₂). Esta precipitación elimina la alcalinidad de la solución, reduciendo la captación neta de carbono y potencialmente causando problemas ambientales como el aumento de la turbidez. Los modelos actuales de biogeoquímica regional utilizados para evaluar la OAE a menudo carecen de parametrizaciones explícitas para estas dinámicas de precipitación secundaria, lo que podría conducir a sobreestimaciones de la captura de carbono. Existe una necesidad crítica de definir umbrales operativos para la precipitación bajo diversas condiciones costeras (temperatura y salinidad) e integrar estos umbrales en marcos de modelado predictivo para asegurar un contabilidad de carbono precisa.

Metodología
El estudio empleó un enfoque de dos vertientes combinando experimentos de microcosmos controlados en laboratorio con modelado oceánico regional:

1. Experimentos de Laboratorio:

   • Configuración: Se realizaron experimentos de microcosmos de 48 horas utilizando agua de mar natural de la bahía de Sequim, WA. El estudio utilizó una solución de NaOH (0.5 mol L⁻¹) generada electroquímicamente como fuente de alcalinidad, simulando las vías de OAE electroquímica.
   • Variables: Se realizaron dos series experimentales para aislar factores ambientales:
     • Variación de Temperatura: La salinidad se mantuvo constante (~32.5) mientras la temperatura se escalonó de 7.5 °C a 29.5 °C.
     • Variación de Salinidad: La temperatura se mantuvo constante (~9.9 °C) mientras la salinidad se ajustó de 6.5 a 32.5.
   • Condiciones: Cada condición incluyó agua de mar "filtrada" (0.45 µm) y "no filtrada" para evaluar el impacto de las partículas en suspensión y la actividad biológica. Se añadió alcalinidad para elevar la Alcalinidad Total (TA) en +1500, +2500 y +3500 µmol kg⁻¹.
   • Mediciones: Se realizó un monitoreo continuo de temperatura, salinidad, turbidez y pH. Se recolectaron muestras discretas de TA y Carbono Inorgánico Disuelto (DIC) en intervalos específicos (t0, t1, t3, t24, t48). Los precipitados sólidos se recolectaron para identificación de mineralogía y morfología mediante difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de energía dispersiva de rayos X (EDS).

2. Integración en el Modelo:

   • Plataforma: Se utilizó un modelo biogeoquímico regional de la bahía de Chesapeake (ROMS-ECB), elegido por su amplio rango de variabilidad de temperatura y salinidad en comparación con el sitio experimental.
   • Parametrización: Se desarrolló un modelo de regresión logística utilizando los datos experimentales (y datos de la literatura de Ringham et al.) para definir un umbral de estado de saturación de aragonita ($\Omega_{thresh}$) dependiente de la temperatura y la salinidad para la precipitación.
   • Simulación: El modelo simuló un despliegue hipotético de OAE a gran escala (flujo superficial de 4.05 mmol m⁻² s⁻¹) en enero y junio de 2024. Se compararon dos escenarios: uno con adición de alcalinidad únicamente (OAE) y otro que incluye el módulo de precipitación secundaria (OAE + 2° Precipitación). El módulo activaba la precipitación cuando la $\Omega_{ar}$ local excedía el umbral derivado, eliminando el carbonato del grupo disuelto y simulando el hundimiento de partículas.

Resultos Clave

• Umbrales de Precipitación: Los experimentos revelaron que los umbrales de precipitación eran sustancialmente más altos de lo reportado previamente en parte de la literatura. La precipitación significativa requirió generalmente valores de $\Omega_{ar} > 30\text{--}36$ para adiciones de alta alcalinidad (+3500 µmol kg⁻¹).
  • Efecto de la Temperatura: Las temperaturas más altas aceleraron las tasas de precipitación y redujeron el umbral de $\Omega_{ar}$ requerido para activarla. La precipitación "descontrolada" (donde las pérdidas de TA y DIC superaron las adiciones iniciales) ocurrió solo a temperaturas $\geq 16$ °C bajo condiciones de alta alcalinidad.
  • Efecto de la Salinidad: Las salinidades más bajas generalmente aumentaron las tasas de precipitación pero alteraron la mineralogía. En salinidades muy bajas (S = 6.5 y 12.5), la precipitación fue dominada inicialmente por brucita (Mg(OH)₂) en lugar de CaCO₃, y la cantidad total de precipitación estuvo limitada por la disponibilidad de iones Ca²⁺. En S = 18.5 y superiores, la aragonita fue el precipitado dominante.
• Mineralogía: La aragonita fue el principal mineral formado en la mayoría de las condiciones de temperatura y salinidad moderada a alta. La brucita se formó inicialmente en salinidades bajas, pero a menudo fue reemplazada por aragonita con el tiempo (48 horas), con los cristales de brucita actuando como sitios de nucleación para el crecimiento de la aragonita.
• Resultados del Modelo: La integración del módulo de precipitación en el modelo de la bahía de Chesapeake resultó en reducciones espacial y temporalmente variables de la alcalinidad añadida y la captación de CO₂ atmosférico.
  • En enero (frío, baja salinidad), las pérdidas de TA oscilaron entre ~18% (Baltimore Harbor) y ~116% (Southern Bay).
  • En junio (cálido, baja salinidad), las pérdidas aumentaron significativamente, con la TA disminuyendo en ~31% en Baltimore Harbor y ~438% en Southern Bay.
  • En general, la precipitación secundaria redujo la captación neta de CO₂ aire-mar en aproximadamente un 3.5% a 30% durante el período de simulación de un mes.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar un marco para tres avances específicos en la ciencia de la OAE:

1. Límites Operativos: Establece umbrales de precipitación secundaria conservadores, derivados experimentalmente, para la OAE basada en NaOH a través de gradientes de temperatura y salinidad costeros, ofreciendo orientación para controles de ingeniería que limiten la precipitación.
2. Integración de Modelos: Demuestra la viabilidad y la necesidad de integrar parametrizaciones de precipitación explícitas en modelos biogeoquímicos regionales. El estudio destaca que, sin estas dinámicas, los modelos pueden sobreestimar significativamente la eficiencia de la captura de carbono, particularmente en entornos cálidos y de baja salinidad.
3. Guía Futura: El trabajo subraya la necesidad de refinar aún más las observaciones de laboratorio y de campo, específicamente respecto a los tiempos de inducción, el papel de los núcleos en suspensión y la escala de las dinámicas de precipitación desde liberaciones de punto focal hacia modelos regionales.

Los autores enfatizan que estos umbrales representan límites operativos para optimizar la entrega de OAE y minimizar la pérdida de alcalinidad, más que límites de seguridad biológica. Concluyen que, si bien el escenario de alto flujo utilizado en el modelo fue hipotético y probablemente inviable para los estándares regulatorios actuales, la metodología proporciona una herramienta crítica para evaluar la pérdida de alcalinidad a medida que los proyectos de OAE escalan hacia escenarios de despliegue más realistas.