Feedback tra biologia e fisica nel Pacifico Equatoriale: risultati da simulazioni numeriche

1. Feedback tra biologia e fisica nel Pacifico Equatoriale: risultati da simulazioni numeriche L. Patara, M. Vichi, P. G. Fogli, S. Masina, E. Manzini WORKSHOP W10 Progetto VECTOR Rimini, 10-11 settembre 2007 INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia) CMCC (Centro Euro-Mediterraneo per i Cambiamenti Climatici)

2. Obiettivi • Valutare l’effetto dell’inserimento di un modello biologico in un modello fisico • Quantificare il feedback in termini di variazioni di proprietà fisiche del sistema

3. Il feedback bio-ottici della biologia sulla fisica • Questo processo dà luogo ad un riscaldamento locale: • La biologia modifica la curva di radiazione solare penetrante dando luogo a dei massimi di assorbimento dove essa è più abbondante. • La radiazione solare entrante viene attenuata esponenzialmente con la profondità:

4. Alcuni studi nel Pacifico equatoriale • Nakamoto et al. (2001): • Assorbimento della radiazione solare aumenta in superficie • Diminuzione della profondità dello strato rimescolato all’Equatore • Aumento dell’upwelling per aggiustamento geostrofico • Diminuzione intorno a 1°C della temperatura marina superficiale • Murtugudde et al. (2002): • Riscaldamento radiativo è al di sotto dello strato rimescolato • Diminuzione della stratificazione e attenuazione delle correnti superficiali • Aumento intorno a 2°C della temperatura marina superficiale

5. Il Modello di Sistema Terra INGV-CMCC Atmosfera ECHAM5 (T31L19) (Roeckner et al. 2006) Coupler OASIS3 (Valcke et al. 2004) Ghiaccio marino LIM (ORCA2) (Timmermann et al. 2005) Oceano OPA 8.2 (ORCA2) (Madec et al. 1998) Biogeochimica Marina PELAGOS (ORCA2) (Vichi et al. 2007 a,b)

6. Configurazione degli esperimenti • Gli esperimenti BLUE e GREEN: • hanno le stesse condizioni iniziali per la fisica • differiscono solo per l’aggiunta del modello biologico nel GREEN. • L’analisi viene effettuata sugli ultimi 50 anni di simulazione. Oceano, Atmosfera, Ghiaccio BLUE Oceano, Atmosfera, Ghiaccio, Biogeochimica marina GREEN 220 anni 50 anni

7. Struttura del campo di clorofilla (mg/m³) Pacifico Equatoriale: alta produttività e forte gradiente con i giri subtropicali Modello Climatologia Satellite SeaWiFS Media 1997-2003

8. Differenza di T oceanica (°C) tra GREEN e BLUEMappe del Pacifico Equatoriale 5 m 55 m °C 95 m

9. Sezioni meridionale a 100W nel Pacifico EquatorialeDifferenza di T (°C) tra GREEN e BLUE (colori)Concentrazione di clorofilla in mg/m³ (contorni) °C

10. Termini che contribuiscono al bilancio termico in un punto • Assorbimento della radiazione solare • Avvezione di calore (zonale, meridionale e verticale) • Diffusione di calore (orizzontale e verticale) • Flussi di calore all’interfaccia con l’atmosfera

11. Integrazione dei flussi di calore fino a 140 m di profondità e tra 20° S e 15° NSezione a 100 W Differenza di T POSITIVA Contributo radiativo nel GREEN supera di 5.1 W/m² quello nel BLUE Contributi avvettivi simili Differenza di T NEGATIVA Contributo radiativo nel BLUE supera di 4.1 W/m² quello nel GREEN Contributi avvettivi simili Contributo termico dell’avvezione verticale è sempre negativo (upwelling). Nel GREEN è più negativo: aumento dell’upwelling nel GREEN in risposta alla variazione del campo di temperatura superficiale.

12. Conclusioni • L’inserimento del modello biologico PELAGOS nel nostro modello fisico genera un feedback sulla temperatura oceanica. • La variazione di temperatura è più intensa (> |0.5| °C) dove la concentrazione di clorofilla è più elevata, ovvero: • Nelle zone orientali • A profondità sottosuperficiali • Si crea un dipolo nelle differenze di temperatura tra GREEN e BLUE • Feedback sulla dinamica circolatoria (aumento dell’upwelling nel Pacifico orientale)

13. Implicazioni per il ciclo del carbonio • Variazione di temperatura marina superficiale potrebbe avere un impatto sui flussi di CO2 con l’atmosfera: • effetto diretto della variazione di temperatura • effetto indiretto dovuto al cambiamento dei venti • Variazione dell’entità dell’upwelling: impatto sul rilascio di CO2 dall’oceano all’atmosfera