1
برف دریایی چیست؟
«برف دریایی» (Marine Snow) به ذرات کوچکی از بقایای در حال شناور در اقیانوس گفته میشود که هر روزه بهصورت پیوسته از سطح روشن اقیانوس به اعماق تاریک آن سقوط میکنند. این ذرات متشکل از اجساد جانوران مرده یا در حال تجزیه، پلانکتونها، مدفوع جانوران، موکوس و سایر ذرات بسیار ریز هستند که در کنار هم، تودههایی بهصورت پوستههای آهستهنشین تشکیل میدهند.
نقش حیاتی برف دریایی در اکوسیستم
با وجود نام شاعرانهاش، برف دریایی نقشی حیاتی در اکوسیستم اقیانوسها ایفا میکند. این ذرات منبع اصلی تغذیه برای بسیاری از موجودات اعماق دریا هستند که در محیطی فاقد نور خورشید زندگی میکنند. بدون این بارش پیوسته مواد غنی از کربن، حیات در اعماق اقیانوس بسیار محدود میشد.
پیوند برف دریایی با تغییرات اقلیمی
علاوه بر نقش اکولوژیکی، برف دریایی در سیستم اقلیمی زمین نیز مؤثر است. این ذرات با انتقال کربن از سطح به بستر اقیانوس، آن را برای قرنها یا حتی بیشتر از جو زمین حذف میکنند. این فرآیند که «پمپ زیستی کربن» نام دارد، به تنظیم سطح دیاکسیدکربن در جو و کاهش تغییرات اقلیمی کمک میکند.
یافتههای جدید: برف دریایی کوچکتر سریعتر غرق میشود
کشف غیرمنتظره دانشمندان
طبق پژوهش جدیدی که توسط رابرت هانت و همکارانش از دانشگاه براون و دانشگاه کارولینای شمالی در چاپلهیل انجام شده، پوستههای کوچکتر برف دریایی سریعتر از انواع بزرگتر به کف دریا میرسند. این یافته با قوانین کلاسیک دینامیک سیالات که از یک قرن پیش تدریس میشدند، در تضاد است.
چرا این اتفاق میافتد؟
در سیالات لایهبندیشدهای مانند اقیانوس، چگالی آب با عمق افزایش مییابد. ذرات متخلخل مانند برف دریایی در حین سقوط، نمک بیشتری از لایههای پایین جذب میکنند که باعث افزایش وزن و غلبه بر نیروی کشش شده، در نتیجه سرعت سقوط آنها افزایش مییابد.
اهمیت این کشف برای چرخه کربن
تأثیر بر محاسبه کربن منتقلشده
پمپ زیستی کربن سالانه حدود ۱۰٫۲ میلیارد تن کربن را از آبهای سطحی به زیر ترموکلاین منتقل میکند. اگر ذرات کوچکتر سریعتر از آنچه تصور میشد غرق شوند، برآورد ما از میزان واقعی کربن منتقلشده به اعماق باید بازبینی شود، بهویژه در فصل بهار که شکوفایی پلانکتونها فراوان است.
تأثیر مشابه بر پلاستیکهای میکروسکوپی
مطالعه جهانی اخیر نشان داده ذرات پلاستیکی کوچکتر از ۰٫۰۰۴ اینچ مدت بیشتری در عمق متوسط اقیانوس میمانند. اگر تخلخل یا رشد زیستی باعث افزایش جذب نمک در این ذرات شود، آنها زودتر از حد انتظار غرق شده، و نقاط داغ آلودگی در کف دریا تغییر میکنند.
آزمایشها و نحوه سقوط برف دریایی
ساخت مدل شبیهسازی اقیانوس
تیم تحقیقاتی هانت یک مخزن چهار فوتی طراحی کردند که در آن چگالی از آب شیرین در بالا تا آب شور در پایین بهصورت تدریجی تغییر میکرد، شبیهسازی شرایط واقعی اقیانوس.
استفاده از ذرات آگار سهبعدی
دانشمندان با قالبگیری و چاپ سهبعدی، ذرات آگاری با اشکال مختلف (کره، دیسک و میله) و قطرهایی از ۰٫۰۴ تا ۰٫۴ اینچ ساختند. این ذرات مانند ژله دارای تخلخل بوده و با آب اطراف خود تبادل نمک داشتند.
نتایج آزمایشها
با استفاده از دوربینهای پرسرعت، حرکت ذرات در مخزن ردیابی شد. نتیجه جالب بود: یک ذره کروی یکمیلیمتری سریعتر از ذره چهارمیلیمتری به کف رسید. در اشکال میلهای یا صاف، نازکترین بعد تعیینکننده سرعت سقوط بود. ذرات سوزنیشکل حتی از اشکال حجیمتر با همان جرم هم سریعتر بودند.
چرا نمک باعث غرق شدن سریعتر میشود؟
تفاوت با قوانین سنتی
در محاسبات سنتی، فرض میشود چگالی یک جسم هنگام سقوط ثابت میماند. اما ذرات متخلخل با جذب نمک از محیط اطراف، این قانون را نقض میکنند.
معیارهای اصلی در مدل جدید
این مدل بر سه عامل تکیه دارد: میزان تخلخل، ضریب نفوذ نمک و گرادیان چگالی عمودی. اگر جذب نمک، چگالی را سریعتر از کاهش سرعت ناشی از کشش افزایش دهد، اندازه دیگر برتری ندارد و ذرات کوچکتر سریعتر سقوط میکنند.
پیامدهای مدل جدید برای برآوردهای اقلیمی
تأثیر بر مدلهای بیوژئوشیمیایی
مدلهای کنونی نحوه غرق شدن، تجزیه یا خورده شدن کربن را در مسیر سقوط دنبال میکنند. اگر سرعت سقوط ذرات ریز کمتر از واقع تخمین زده شود، تخمین تجزیه در اعماق متوسط افزایش یافته، و میزان ذخیرهسازی در اعماق واقعی کمتر از واقعیت برآورد میشود.
نقش در مهندسی اقلیمی
سازمان NOAA اعلام کرده که اقیانوس حدود ۳۰ درصد دیاکسیدکربن تولیدشده توسط انسان را جذب میکند. تغییر سرعت سقوط ذرات میتواند محل و مدت زمان ماندگاری این کربن ذخیرهشده را تغییر دهد. برخی مهندسان اقلیم نیز در حال بررسی روشهایی برای تقویت سقوط سریعتر این ذرات هستند، از افزودن مواد معدنی به جلبکها گرفته تا پرورش کلپ برای دفن در اعماق.
برف دریایی و آلودگی پلاستیکی
شباهت ذرات پلاستیکی با برف دریایی
قطعات پلاستیکی اغلب پوششهایی از زیستلایه (biofilm) میگیرند که آنها را مانند برف دریایی به اسفنجهای کوچکی برای جذب نمک و مواد آلی تبدیل میکند. این فرآیند چگالی را افزایش داده، و ممکن است باعث شود الیاف میلیمتری زودتر از برآوردهای ماهوارهای از سطح آب خارج شوند.
پیامدهای زیستمحیطی
یک بارش پلاستیکی به کف میتواند سموم را به تغذیهکنندگان بستر منتقل کند و شبکههای غذایی را تغییر دهد. سیاستهایی که تنها بر پاکسازی سطح تمرکز دارند، ممکن است این مسیر پنهان انتقال آلودگی را نادیده بگیرند.
سقوط سریعتر الیاف مصنوعی
ذرات کشیدهشده مانند الیاف رهاشده از لباسها – که معمولاً بلند و باریک هستند – سریعتر از کرههایی با همان حجم غرق میشوند. این یافته تأثیرگذاری الیاف مصنوعی را در آلودگی بسترهای دریایی نشان میدهد.
قدمهای بعدی: آزمون واقعی در اقیانوس
همکاری با اقیانوسشناسان
هانت و هریس قصد دارند با اقیانوسشناسان همکاری کنند تا ذرات سفارشیشده را در مناطق دارای لنگرگاه عمیق رها کرده و پیشبینیهای آزمایشگاهی را با دادههای واقعی مقایسه کنند.
توسعه مدلهای منطقهای
هماکنون مدلسازان در حال ادغام فرمول جدید در بودجههای منطقهای کربن و شبیهسازی سرنوشت میکروپلاستیکها هستند. برفهای دریایی کوچک که قبلاً بهعنوان ذرات کند شناخته میشدند، اکنون در مرکز توجه قرار گرفتهاند و به دانشمندان یادآوری میکنند که در دنیای دریا، اندازه همیشه مهمترین عامل نیست؛ بلکه نفوذ نمک میتواند همهچیز را تغییر دهد.
این مطالعه در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.