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Plankton e produzione primaria

Plankton e produzione primaria. Annalisa Bracco the Abdus Salam International Center for Theoretical Physics Physics of Weather and Climate Section. Overview. Phytoplankton: cos'e' e dove vive La Produzione Primaria: cos'e' e come si misura Ha senso fertilizzare l'oceano? (exp)

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Plankton e produzione primaria

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Presentation Transcript

  1. Plankton e produzione primaria Annalisa Bracco the Abdus Salam International Center for Theoretical Physics Physics of Weather and Climate Section

  2. Overview • Phytoplankton: cos'e' e dove vive • La Produzione Primaria: cos'e' e come si misura • Ha senso fertilizzare l'oceano? (exp) • I processi fisici coinvolti (theo) alcuni... • La modellizazione numerica (num)

  3. Il Phytoplankton La vegetazione marina consiste per lo piu' di phytoplankton Þ organismi unicellulari o colonie di cellule che galleggiano in prossimita' della superficie Esistono almeno 13 classidi phytoplankton. Tra le piu' comuni Diatomi, Dinoflagellati, Coccolitoforidi, Silicoflagellati

  4. Diatomee • Acque temperate e polari; 2-1000 mm • Non possono nuotare per mantenere la loro posizione nella colonna d'acqua. • Sink rate per cellule vive 30m/d. Il doppio per cellule morte • La turbolenza e' importante per mantenerli vicino alla superficie

  5. Dinoflagellati • In grado di muoversi grazie a due flagelli • Competitivi, si adattano a riduzioni di luce e nutriente • Abbondanti nelle acque oligotropiche in regioni tropicali • Maggiori responsabili di blooms di alghe tossiche • Predominanti in estate e autunno • Bioluminescenti • Quasi tutti unicellulari

  6. Coccolitoforidi • Piccoli (<20 mm); unicellulari • Circondati da piastre di calcare (coccoliti) • Alto potere riflettente 1possono fare fotosintesi in acque molto luminose e calde (tropici) • Accumulano in sedimenti e formano gesso

  7. Il Ciclo del Carbonio

  8. Fotosintesi e Produzione Primaria • Richiede luce solare • Produzione autotrofica:riduzione del diossido di carbonio in carboidrati e rilascio di ossigeno • Produzione Primaria: accumulo di biomassa vegetale ad opera della fotosintesi nel tempo: • Produzione Primaria Lorda: fotosintesi totale • Produzione Primaria Netta: fotosintesi - respirazione fotosintesi punto di compensazione Þintensita' luminosa

  9. Si puo quantificare la produzione primaria? http://seawifs.gsfc.nasa.gov/SEAWIFS.html

  10. Gli ingredienti della fotosintesi Luce + Carbonio in forma dissolta + Nutrienti Principali nutrienti non limitanti Materiali inorganizi essenziali e limitanti Sinergie: Fe indispensabile per l'utilizzo dell'azoto inorganico I diatomi piu' grandi sono piu' limitati

  11. "Fertilizzare" l'oceano • Le acque fredde sono spesso ricche di nutrienti e povere di clorofilla (HNLC). • Al largo delle Galapagos, sottovento alle isole, la produzione primaria e' maggiore. Hp: Particelle di polveri provenienti dalle isole arricchiscono il mare di ferro e stimolano la produzione primaria • Jonh Martin (Moss Landing Marine Lab - Ca) propone di esperimento su larga scala in una regione HNLC del Pacifico • 1993: IronExI non e' un successo. Fe rapidamente dissipato, zooplankton riduce la nuova biomassa

  12. L'effetto Geritol (IronExII) • Estate1995: 64 Km² nel Pacifico vengono arricchiti con 500 Kg di Fe • Boe e SF6 tracciano la dispersione del Fe • Dopo pochi giorni: bloom di phytoplankton (diatomi). Overall popolazione triplicata • 100 tonnellate di CO2 fissate • Dopo 17 giorni: i livelli di Fe, clorofilla e nitrati sono nei range precedenti alla fertilizzazione

  13. Risultati • Impatto positivo della fertilizzazione • I diatomi sono la classe predominante • L'aumento in phytoplankton unicellulare e' bilanciato dall'aumento in microzooplankton • Zooplankton piu' grande (i.e. in grado di predare i diatomi) si riproduce piu' lentamente

  14. Sviluppi Boyd et al., Nature 2000: SOIREE experiment (ripetuto in 2002) • Fertilizzata ACC a 61°S, 104°E • Riduzione macronutrienti e anidride carbonica MA no trasporto di carbonio organico sul fondo: non c'e' "sequestro" di CO2 a lungo termine • Bloom ancora 30 giorni dopo rilascio: il Fe rimane in superficie. Mixed layer molto profondo • Il silicio e la luce diventano limitanti per i diatomi. C'e' saturazione.

  15. Scenari Credit: Jack Cook, Woods Hole Oceanographic Institution

  16. Processi fisici La turbolenza della onde Qualunque processo che introduca mixing verticale e sia in grado di portare nutriente in superficie puo' generare oasi di plankton • Fronti, WBC, upwelling sotto costa: regioni con gradienti orizzontali in T o S • Eddy, vortici, gyres: regioni con moti rotazionali • Turbolenza • Onde di Rossby • Onde planetarie

  17. Aumento produzione dentro vortici ciclonici

  18. Bloom di diatomi Rhizosolenia

  19. E' sufficiente? Qualunque meccanisco che influenzi il mixing orizzontale puo' modificare la distribuzione finale del phytoplankton Vortici, filamenti, jets... : barriere al trasporto, regioni con forti gradienti di vorticita' L'eteroneneita' spaziale e' un fattore cruciale nello studio della dinamica di popolazioni

  20. Modelli '50-'60: KISS model. Modello matematico con 2 processi in competizione: diffusione orizzontale e crescita del phytoplankton Okubo '78-'80: + grazing dello zooplankton + limitazione del nutriente + diffusione per turbolenza '80: + avvezione da parte di un campo di turbolenza modellato stocasticamente Holloway 1986, Hofmann 1988: primi modelli numerici accoppiati fisica+biologia

  21. '90: modelli 3D in grado di assimilare le osservazioni (Flierl & Davis '93: QG + biologia; Smith et al. '96: mixed layer QG +ECO model) • '98-2003: OGCM eddy-permitting su bacini e eddy-resolving per dinamica costiera + modelli di biologia "multi-species"

  22. Modelli Numerici Martin, Richards, Bracco, Provenzale, Global Biogeochemical Cycles, 2002

  23. Il modello NPZD

  24. Inserito in un box-model A1 - N1 A2 - N2 m(N1-N2) superficie Is(N0-N1) s(N0-N2)

  25. Parametri: • La frazione dell’area totale in cui c’e’ upwelling A1/A • L’aumento nel flusso di nutriente dove c’e’ upwelling (amplificazione del trasporto verticale) I • mixing orizzontale tra A1 e A2, m

  26. Risultati • m ha pochissima influenza se I e’ piccolo • un aumento contemporaneo di m e I induce un FORTE aumento nella produzione primaria • un forte upwelling (I) da solo non e’ suffiente a garantire un aumento nella produzione primaria • per A1/A=0.12 e I=100 e 0<m<10 d-1 aumento max 35%

  27. Turbolenza QG Turbolenza quasigeostrofica 2D: buona approx per la circolazione alla superficie dell’oceano

  28. Vorticita’ potenziale

  29. Increase in P. P. 29%

  30. Increase in P.P 139%!

  31. e quindi... • Non importa solo quanto upwelling c’e, ma anche come e’ distribuito! m e’ importante • Se non si risolvono le strutture a mesoscala si incorrere in grandi errori nella stima della produzione primaria  zone oligotropiche • OGCM non sono ancora in grado di fornire stime accurate della produzione primaria lontano dalle zone di forte upweeling costiero

  32. Fine

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