منحنى مارتن

منحنى مارتن هو قانون أُسّي يستخدمه علماء المحيطات لوصف انتقال الكربون العضوي الجزيئي (POC) إلى قاع المحيط. ويُتحكّم في هذا المنحنى بمعاملين: العمق المرجعي في عمود الماء ، ومعامل إعادة التمعدن الذي يقيس معدل انخفاض التدفق الرأسي للكربون العضوي الجزيئي. ^{[ 1 ]} سُمّي المنحنى نسبةً إلى عالم المحيطات الأمريكي جون مارتن .

تم استخدام منحنى مارتن في دراسة دورة الكربون في المحيطات وساهم في فهم دور المحيط في تنظيم مستويات _ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

تُعدّ ديناميكيات مخزون الكربون العضوي الجزيئي (POC) في المحيط أساسية لدورة الكربون البحرية . ويمثل الكربون العضوي الجزيئي حلقة الوصل بين الإنتاج الأولي السطحي ، وأعماق المحيط ، والرواسب البحرية . ويمكن أن يؤثر معدل تحلل الكربون العضوي الجزيئي في أعماق المحيط على تركيز _ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي . ^{[ 2 ]}

تُعدّ المضخة البيولوجية للكربون آليةً حيويةً لامتصاص المحيط _لثاني أكسيد الكربون الجوي ونقله إلى أعماقه. فبدون هذه المضخة، كان تركيز _ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي قبل الثورة الصناعية (حوالي 280 جزءًا في المليون) سيرتفع إلى حوالي 460 جزءًا في المليون. ^{[ 3 ]} ويُقدّر حاليًا تدفق الكربون العضوي الجسيمي من الطبقة السطحية للمحيط إلى أعماقه بما يتراوح بين 4 و13 بيتاغرام من الكربون سنويًا ^. [ ^{4 ] ولتقييم} كفاءة المضخة البيولوجية للكربون، من الضروري تحديد مقدار التضاؤل ​​الرأسي لتدفق الكربون العضوي الجسيمي مع العمق، فكلما زاد عمق نقل الكربون العضوي الجسيمي، زادت مدة عزل _ثاني أكسيد الكربون عن الغلاف الجوي. وبالتالي، فإن زيادة كفاءة المضخة البيولوجية للكربون من شأنها أن تزيد من قدرة المحيط على عزل _ثاني أكسيد الكربون الجوي، مما يُسهم في الحدّ من ظاهرة الاحتباس الحراري. ^{[ 5 ]} قام باحثون مختلفون بدراسة التوهين الرأسي لتدفق الكربون العضوي الجسيمي منذ ثمانينيات القرن الماضي. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 5 ]}

في عام 1987، اقترح مارتن وآخرون دالة قانون القوة التالية لوصف توهين تدفق POC: ^{[ 10 ]}

${\displaystyle F_{z}=F_{100}\left({\frac {z}{100}}\right)^{-b}}$                (1)

حيث z هو عمق الماء (متر)، و Fz و F100 هما تدفقات الكربون العضوي الجسيمي عند عمق _{z متر} و 100 متر على التوالي. على الرغم من اقتراح دوال أخرى، مثل المنحنى الأسي ، والتحقق من صحتها، ^{[ 11 ] [ 12 ]} فقد استُخدمت دالة قانون القوة هذه ، المعروفة باسم "منحنى مارتن"، بشكل متكرر في مناقشات معالجة الكربون الحيوي. يُستخدم الأس b في هذه المعادلة كمؤشر لكفاءة معالجة الكربون الحيوي: فكلما زاد الأس b، زاد معدل التوهين الرأسي لتدفق الكربون العضوي الجسيمي وانخفضت كفاءة معالجة الكربون الحيوي. ^{[ 13 ]} علاوة على ذلك، أظهرت المحاكاة العددية أن تغيير قيمة b من شأنه أن يُغير تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بشكل _ملحوظ . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 5 ]}

لاحقًا، استخلص باحثون آخرون نماذج بديلة لإعادة التمعدن بناءً على افتراضات حول قابلية الجسيمات للتحلل وسرعة الترسيب. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 12 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 6 ]} ومع ذلك، أصبح منحنى مارتن شائعًا كنموذج يفترض أن المادة العضوية بطيئة الترسيب و/أو غير المستقرة تُستنفد بشكل تفضيلي بالقرب من السطح، مما يؤدي إلى زيادة سرعة الترسيب و/أو مدة إعادة التمعدن مع العمق. ^{[ 10 ] [ 23 ]}

يمكن التعبير عن منحنى مارتن بطريقة أكثر عمومية قليلاً على النحو التالي: ^{[ 24 ]}

${\displaystyle f_{p}{(z)}=C_{p}z^{-b}}$

حيث تمثل f_{_p} ( z ) نسبة تدفق المواد العضوية الجسيمية من طبقة منتجة قريبة من السطح ^{[ 25 ]} والتي تغوص عبر أفق العمق z [متر]، و C _{_p} [ ^متر / بوصة مربعة ] معامل قياس، و b أس لا بُعدي يتحكم في كيفية انخفاض f_{_p} مع العمق. غالبًا ما تُقاس المعادلة بالنسبة لعمق مرجعي z_{_o}، ولكن يمكن دمج هذا المعامل بسهولة في C _{_p} . ^{[ 24 ]}

يعتمد معدل التضاؤل ​​الرأسي لتدفق الكربون العضوي الجسيمي (POC) بشكل كبير على سرعة غرقه ومعدل تحلله في عمود الماء. ولأن الكربون العضوي الجسيمي غير مستقر وله قوة طفو سالبة ضئيلة، فإنه يجب أن يتجمع مع مواد ثقيلة نسبيًا تُسمى الصابورة ليستقر بفعل الجاذبية في المحيط. تشمل المواد التي قد تعمل كصابورة الأوبال الحيوي (المشار إليه فيما يلي بـ " الأوبال ")، وكربونات الكالسيوم (CaCO3 ₎ ، والألومينوسيليكات . في عام 1993، افترض إيتيكوت أن الانخفاض الحاد من حوالي 280 إلى حوالي 200 جزء في المليون من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، والذي حدث خلال ذروة العصر الجليدي الأخير، كان سببه زيادة تدفق الغبار المحمول بالرياح (صابورة الألومينوسيليكات) إلى المحيط، مما عزز من قوة التماسك الحيوي للكربون العضوي الجسيمي _. [ 26 ^{] في عام} 2002، قام كل من كلاس وآرتشر، بالإضافة إلى فرانسوا وآخرون، بدراسة تأثير التماسك الحيوي للكربون العضوي الجسيمي على استقرار الكربون العضوي الجسيمي في المحيط. أشار الباحثون الذين جمعوا وحللوا بيانات مصائد الرواسب العالمية إلى أن كربونات الكالسيوم ( _CaCO3) ، التي تتميز بأعلى كثافة بين المعادن المحتملة المستخدمة في تثبيت الرواسب، هي العامل الأكثر أهمية وفعالية على مستوى العالم في تسهيل النقل الرأسي للكربون العضوي الجسيمي (POC)، وذلك لأن كفاءة النقل (نسبة تدفق الكربون العضوي الجسيمي في أعماق البحار إلى تدفقه في قاع الطبقة السطحية المختلطة ) تكون أعلى في المناطق شبه الاستوائية والاستوائية حيث تُعد كربونات الكالسيوم _مكونًا رئيسيًا للثلوج البحرية . ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 5 ]}

تُشير التقارير إلى أن سرعات غرق الجسيمات الغنية بكربونات الكالسيوم _عالية . ^{[ 29 ] [ 30 ]} وقد أوضحت المحاكاة العددية التي تأخذ هذه النتائج في الحسبان أن تحمض المحيطات في المستقبل سيُقلل من كفاءة دورة الكربون العضوي الجسيمي (POC) عن طريق خفض تكلس المحيطات. ^{[ 31 ]} بالإضافة إلى ذلك، فإن نسبة تصدير الكربون العضوي الجسيمي (POC) (نسبة تدفق الكربون العضوي الجسيمي من طبقة علوية (عمق ثابت مثل 100 متر، أو المنطقة المضيئة أو الطبقة المختلطة ) إلى صافي الإنتاجية الأولية ) في المناطق شبه الاستوائية والاستوائية منخفضة، لأن ارتفاع درجات الحرارة في الطبقة العلوية يزيد من معدلات تحلل الكربون العضوي الجسيمي. ^{[ 32 ]} قد ينتج عن ذلك كفاءة نقل أعلى وارتباط إيجابي قوي بين الكربون العضوي الجسيمي وكربونات الكالسيوم _في هذه المناطق ذات خطوط العرض المنخفضة: يتحلل الكربون العضوي الجسيمي غير المستقر، وهو الأقل رطوبة والأسهل على الميكروبات تحليله، في الطبقة العلوية، بينما يُنقل الكربون العضوي الجسيمي المقاوم نسبيًا إلى أعماق المحيط في المناطق ذات خطوط العرض المنخفضة. ^{[ 28 ] [ 33 ] [ 5 ]}

استنادًا إلى ملاحظات كشفت عن زيادة كبيرة في تدفقات الكربون العضوي الجسيمي في المناطق ذات خطوط العرض العليا خلال ازدهار الدياتومات، ونظرًا لأن الدياتومات أكبر بكثير من الكوكوليثوفورات ، ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]} اقترح هوندا وواتانابي في عام 2010 أن الأوبال ، وليس كربونات الكالسيوم _، هو العامل الحاسم كعامل توازن لنقل الكربون العضوي الجسيمي عموديًا بكفاءة في المناطق شبه القطبية. ^{[ 38 ]} أفاد ويبر وآخرون في عام 2016 بوجود ارتباط سلبي قوي بين كفاءة النقل ونسبة العوالق النانوية ، فضلًا عن كفاءات نقل أعلى في المناطق ذات خطوط العرض العليا، حيث تسود العوالق النباتية الكبيرة مثل الدياتومات. ^{[ 39 ]} كما حسبوا أن نسبة ثاني أكسيد الكربون المنقول عموديًا _والذي تم احتجازه في أعماق المحيط لمدة 100 عام على الأقل أعلى في المناطق ذات خطوط العرض العليا (القطبية وشبه القطبية) منها في المناطق ذات خطوط العرض المنخفضة. ^{[ 39 ] [ 5 ]}

في المقابل، أجرى باخ وآخرون في عام 2019 تجربة في بيئة مصغرة لدراسة كيفية تأثير بنية مجتمع العوالق على سرعات الترسيب، وأفادوا بأنه خلال الفترات الأكثر إنتاجية، لم تكن سرعة ترسيب الجسيمات المتجمعة أعلى بالضرورة، لأن الجسيمات المتجمعة الناتجة آنذاك كانت هشة للغاية؛ بل كانت سرعة الترسيب أعلى عندما كانت العوالق النباتية تهيمن عليها الخلايا الصغيرة. ^{[ 40 ]} وفي عام 2012، أعاد هينسون وآخرون النظر في بيانات مصائد الرواسب العالمية، وأفادوا بأن تدفق الكربون العضوي الجسيمي يرتبط عكسيًا بتدفق تصدير الأوبال، ولا يرتبط بتدفق تصدير كربونات _{الكالسيوم} . ^{[ 33 ] [ 5 ]}

من العوامل الرئيسية المؤثرة على معدل التحلل البيولوجي للمواد العضوية الجسيمية الغارقة في عمود الماء درجة حرارة الماء وتركيز الأكسجين المذاب : فكلما انخفضت درجة حرارة الماء وتركيز الأكسجين المذاب، تباطأ معدل التنفس البيولوجي، وبالتالي معدل تحلل تدفق المواد العضوية الجسيمية. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]} على سبيل المثال، في عام 2015، قام مارساي وآخرون بتحليل بيانات تدفق المواد العضوية الجسيمية من مصائد الرواسب المتعادلة الطفو في الطبقة العليا من عمود الماء (500 متر)، ووجدوا ارتباطًا إيجابيًا قويًا بين الأس b في المعادلة (1) أعلاه ودرجة حرارة الماء (أي أن تدفق المواد العضوية الجسيمية يتضاءل بسرعة أكبر عندما يكون الماء أكثر دفئًا). ^{[ 41 ]} بالإضافة إلى ذلك، قام باخ وآخرون... وُجد أن معدلات تحلل الكربون العضوي الجسيمي تكون مرتفعة (منخفضة) عندما تكون الدياتومات والسينيكوكوس (الطحالب الضارة) هي العوالق النباتية السائدة بسبب زيادة (انخفاض) وفرة العوالق الحيوانية وما يترتب على ذلك من زيادة (انخفاض) في ضغط الرعي . ^{[ 40 ] [ 5 ]}

باستخدام الملاحظات الإشعاعية الكيميائية ( ملاحظات تدفق الكربون العضوي الجسيمي القائمة على الثوريوم-234 )، وجد بافيا وآخرون في عام 2019 أن الأس b لمنحنى مارتن كان أصغر بكثير في المنطقة الاستوائية الشرقية للمحيط الهادئ منخفضة الأكسجين ( المصابة بنقص الأكسجين ) مقارنةً بالمناطق الأخرى؛ أي أن التوهين الرأسي لتدفق الكربون العضوي الجسيمي كان أقل في المنطقة المصابة بنقص الأكسجين. ^{[ 44 ]} وأشاروا إلى أن زيادة نقص الأكسجين في المحيط مستقبلاً ستؤدي إلى انخفاض توهين تدفق الكربون العضوي الجسيمي، وبالتالي زيادة كفاءة عملية نقل الكربون الحيوي، وقد يشكل ذلك تغذية راجعة سلبية على ظاهرة الاحتباس الحراري. ^{[ 44 ]} أفاد ماكدونيل وآخرون في عام 2015 أن النقل الرأسي للكربون العضوي الجسيمي أكثر فعالية في القطب الجنوبي، حيث تكون سرعة الغرق أعلى ومعدل التنفس البيولوجي أقل منه في المحيط الأطلسي شبه الاستوائي. ^{[ 45 ]} هينسون وآخرون. كما أُبلغ في عام 2019 عن ارتفاع نسبة التصدير خلال فترة الإزهار المبكر، عندما تكون الإنتاجية الأولية منخفضة، وانخفاضها خلال فترة الإزهار المتأخر، عندما تكون الإنتاجية الأولية عالية. ^{[ 46 ]} وقد عزا الباحثون انخفاض نسبة التصدير خلال فترة الإزهار المتأخر إلى ضغط الرعي من قِبل العوالق الحيوانية الدقيقة والبكتيريا. ^{[ 46 ] [ 5 ]}

على الرغم من كثرة الدراسات التي تناولت منحنى انتقال الكربون العضوي الجسيمي (POC)، لا تزال العوامل المؤثرة في التضاؤل ​​الرأسي لتدفق الكربون العضوي الجسيمي محل نقاش. وقد أظهرت الملاحظات في المناطق شبه القطبية أن كفاءة الانتقال بين عمق 1000 و2000 متر منخفضة نسبيًا، بينما تكون مرتفعة نسبيًا بين قاع المنطقة الضوئية وعمق 1000 متر. ^{[ 41 ]} لذلك، اقترح مارساي وآخرون في عام 2015 أن منحنى مارتن لا يُعبّر بدقة عن التضاؤل ​​الرأسي لتدفق الكربون العضوي الجسيمي في جميع المناطق، وأنه ينبغي وضع معادلة مختلفة لكل منطقة. ^{[ 41 ]} نوقشت في عام 2017 مسألة تحديد معلمات التوهين الرأسي لتدفق الكربون العضوي الجسيمي ^{[ 11 ]} ، وأُفيد بأن التوهين الرأسي لتدفق الكربون العضوي الجسيمي في منطقة الشفق (من قاعدة المنطقة الضوئية إلى 1000 متر) يمكن تحديده بدقة ليس فقط بواسطة نموذج قانون القوة (منحنى مارتن)، ولكن أيضًا بواسطة نموذج أسي ^{[ 18 ]} ونموذج التوازن ^{[ 17 ] [ 5 ] .}

مع ذلك، يميل النموذج الأسي إلى التقليل من تقدير تدفق الكربون العضوي الجسيمي في منطقة منتصف الليل (أعماق تزيد عن 1000 متر). وقد أفاد كايل وبيسون في عام 2018 أن النموذج الأسي (نموذج قانون القوة) يميل إلى التقليل من تقدير تدفق الكربون العضوي الجسيمي في الطبقة العليا، والمبالغة في تقديره في الطبقة العميقة. ^{[ 12 ]} ومع ذلك، كانت قدرة كلا النموذجين على وصف تدفقات الكربون العضوي الجسيمي متقاربة إحصائيًا عند تطبيقهما على مجموعة بيانات تدفق الكربون العضوي الجسيمي من شرق المحيط الهادئ، والتي استُخدمت لاقتراح "منحنى مارتن". ^{[ 10 ]} في دراسة طويلة الأمد في شمال شرق المحيط الهادئ، لاحظ سميث وآخرون في عام 2018 زيادة مفاجئة في تدفق الكربون العضوي الجسيمي مصحوبة بكفاءة نقل عالية بشكل غير عادي؛ وقد أشاروا إلى أنه نظرًا لأن منحنى مارتن لا يستطيع التعبير عن مثل هذه الزيادة المفاجئة، فقد يقلل أحيانًا من تقدير قوة الكربون العضوي الجسيمي. ^{[ 47 ]} بالإضافة إلى ذلك، وخلافًا للنتائج السابقة، أشارت بعض الدراسات إلى كفاءة نقل أعلى بكثير، لا سيما إلى أعماق البحار، في المناطق شبه الاستوائية مقارنةً بالمناطق شبه القطبية. ^{[ 33 ] [ 41 ] [ 42 ]} قد يُعزى هذا النمط إلى صغر الفروقات في درجة الحرارة وتركيز الأكسجين المذاب في أعماق البحار بين المناطق ذات خطوط العرض العليا والدنيا، فضلًا عن سرعة غرق أعلى في المناطق شبه الاستوائية، حيث يُعد كربونات الكالسيوم (CaCO3) _مكونًا رئيسيًا للثلوج البحرية في أعماق البحار. علاوة على ذلك، من المحتمل أيضًا أن يكون الكربون العضوي الجسيمي (POC) أكثر مقاومة للتحلل في المناطق ذات خطوط العرض الدنيا مقارنةً بالمناطق ذات خطوط العرض العليا. ^{[ 33 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 5 ]}

تنظم المضخة البيولوجية للمحيط مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي والمناخ عن طريق نقل الكربون العضوي الذي ينتجه العوالق النباتية على السطح إلى أعماق المحيط عبر الثلج البحري ، حيث تستهلكه الكائنات الحية الدقيقة البحرية وتتنفسه . عادةً ما يُوصف هذا النقل من السطح إلى الأعماق بعلاقة أسية بين تركيز الجسيمات الغارقة والعمق. يمكن ربط عدم اليقين في قوة المضخة البيولوجية بقيم متغيرة مختلفة ( عدم اليقين البارامتري ) أو بالمعادلات الأساسية ( عدم اليقين الهيكلي ) التي تصف تصدير المادة العضوية. في عام 2021، قيّم لودرديل عدم اليقين الهيكلي باستخدام نموذج بيوجيوكيميائي للمحيطات من خلال الاستبدال المنهجي لستة نماذج بديلة لإعادة التمعدن مُطابقة لمنحنى أسي مرجعي. يُساهم عدم اليقين الهيكلي بشكل كبير، بنحو الثلث من حيث ضغط _ثاني أكسيد الكربون الجزئي في الغلاف الجوي ، في إجمالي عدم اليقين للمضخة البيولوجية، مما يُبرز أهمية تحسين توصيف المضخة البيولوجية من خلال الملاحظات وإدراجها آليًا في نماذج المناخ. ^{[ 24 ] [ 48 ]}

يستهلك العوالق النباتية الكربون والمغذيات في سطح المحيط خلال عملية الإنتاج الأولي ، مما يؤدي إلى تدفق المواد العضوية إلى الأسفل. وتتحول هذه "الثلوج البحرية" وتتنفسها وتتحلل بواسطة الكائنات الحية غيرية التغذية في المياه العميقة، لتُطلق في النهاية تلك المكونات مرة أخرى في صورة غير عضوية ذائبة . ويعيد انقلاب المحيطات واختلاطها المضطرب المياه العميقة الغنية بالموارد إلى الطبقة السطحية المعرضة لأشعة الشمس، مما يدعم إنتاجية المحيطات العالمية. وتحافظ المضخة البيولوجية على هذا التدرج الرأسي في المغذيات من خلال امتصاص المواد العضوية ونقلها رأسيًا وإعادة تمعدنها، مما يخزن الكربون في أعماق المحيط المعزولة عن الغلاف الجوي على مدى قرون وآلاف السنين، ويخفض مستويات _ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بمئات الميكروغلاف الجوي. ^{[ 49 ] [ 50 ]} يصعب وصف آلية عمل المضخة البيولوجية ببساطة نظراً لتعقيد العمليات البيولوجية والكيميائية والفيزيائية التي تنطوي عليها، ^{[ 51 ]} لذا، يُوصف مصير الكربون العضوي المُصدَّر عادةً باستخدام ملف تعريف يعتمد على العمق لتقييم تحلل المواد الجسيمية الغارقة. ^{[ 24 ]}

• الكربون غير العضوي الجزيئي