生物学的ポンプと炭素輸出

海洋生物は、表層で炭素を固定し、その一部を深海に沈降させることで、地球規模のポンプを稼働させ、大気中の二酸化炭素濃度を本来よりもはるかに低く保っています。

Definition

生物学的ポンプとは、太陽光が当たる表層海洋から深部へ有機炭素を移動させる一連の生物学的プロセスであり、深部では大気から隔離されて貯蔵されます。炭素輸出とは、この有機物が表層から下向きに流れるフラックスのことです。

Scope

このトピックでは、有機粒子の生成と沈降、水柱を通じた輸出と再石灰化のプロセス、炭素輸出フラックスの測定、動物プランクトンの移動と凝集の役割、そして生物学的ポンプの制御と効率、および変化する海洋に対するその感度について扱います。

Core questions

• 表層の一次生産のうち、どのくらいの割合が深海に輸出されますか？
• 沈降する有機物は、再石灰化によって深度とともにどのように減衰しますか？
• 粒子の凝集と動物プランクトンの移動は、輸出においてどのような役割を果たしますか？
• 生物学的ポンプの効率はどのくらいですか、また温暖化と酸性化によってどのように変化する可能性がありますか？

Key theories

軟組織ポンプと炭酸塩ポンプ

有機物（軟組織）の沈降は表層炭素と大気中の二酸化炭素を減少させますが、貝殻形成による炭酸塩カウンターポンプはそれを部分的に相殺し、それらのバランスが大気中の炭素に対する正味の生物学的制御を決定します。

輸出と再石灰化の深度

輸出された有機物のほとんどは上部水柱で消費・呼吸されるため、再石灰化される深度が、炭素が大気から隔離される期間を決定します。

Mechanisms

植物プランクトンは表層で炭素を固定します。その一部は凝集体、糞粒、死んだ細胞として沈降し、さらに移動する動物プランクトンによって下方へ運ばれます。粒子が落下するにつれて、バクテリアや動物はほとんどの炭素を浅い深度で溶存形態に戻して呼吸しますが、わずかに残った部分は深海や堆積物に到達し、そこで数世紀から数千年にわたって貯蔵される可能性があります。

Clinical relevance

生物学的ポンプは、大気中の二酸化炭素、ひいては気候の主要な制御因子です。これを理解し定量化することは、海洋の炭素吸収源を予測し、海洋施肥などの提案されている海洋二酸化炭素除去戦略を評価する上で中心的な役割を果たします。

History

この概念は1980年代に具体化しました。VolkとHoffertが海洋の溶解度ポンプと生物学的ポンプを区別し、氷期-間氷期の二酸化炭素変動におけるそれらの役割を定量化したことで、数十年にわたるフラックス測定と、Martinによって引き起こされた鉄施肥論争の動機付けとなりました。

Key figures

• Tyler Volk
• Wallace Broecker
• John Martin

Seminal works

• sarmientoGruber2006
• volkHoffert1985

Frequently asked questions

なぜポンプと呼ばれるのですか？

機械式ポンプが勾配に逆らって流体を移動させるように、海洋生物は炭素を表層から深海へと継続的に移動させ、両者間の炭素濃度差を維持することで、大気中の二酸化炭素を減少させています。

生物学的ポンプを強化することで気候変動と戦えますか？

海洋に鉄を施肥するなどの提案は、炭素輸出を促進することを目的としていますが、隔離される量と永続性には不確実性があり、生態学的なリスクも存在するため、そのようなアプローチは科学的に議論の余地があります。