Железный аргумент: может ли океан стать нашим климатическим союзником?

Немного контекста: зачем океану железо или анемия планктона

Фитопланктону необходимо железо, потому что этот микроэлемент играет ключевую роль в процессах фотосинтеза и азотного обмена. Железо участвует в работе ферментов, необходимых для поглощения углекислого газа и синтеза органических соединений. Без достаточного количества железа фитопланктон не может эффективно расти и выполнять свою функцию как главный регулятор углеродного цикла в океане.

Фитопланктон — это крошечные морские водоросли, которые отвечают за огромную часть фотосинтеза на Земле. Они не только производят кислород, но и впитывают углекислый газ (CO₂) из атмосферы. Проблема в том, что фитопланктон в некоторых районах океана не может расти в достаточном количестве, потому что ему не хватает железа.

И вот учёные, руководствуясь железной логикой, решили: раз фитопланктону не хватает железа, то его стоит добавить в океан. Такой шаг мог запустить цепную реакцию: фитопланктон начинает активно расти, поглощает больше CO₂ из атмосферы и тем самым вносит вклад в борьбу с глобальным потеплением. В теории это должно вызвать бурный рост фитопланктона, а значит, и дополнительное поглощение CO₂, что может помочь в борьбе с глобальным потеплением.

Зачем увеличивать рост фитопланктона

1. Борьба с изменением климата

Фитопланктон активно поглощает углекислый газ (CO₂) из атмосферы, используя его в процессе фотосинтеза.

• В некоторых районах океана нехватка железа ограничивает рост фитопланктона, что сдерживает естественный цикл поглощения CO₂.
• Если увеличить его биомассу, можно повысить способность океана к углеродному поглощению, снижая парниковый эффект.
• В теории это может помочь замедлить глобальное потепление, особенно если углерод будет надежно утилизирован в глубоких слоях океана.

2. Увеличение пищевых ресурсов

Фитопланктон — основа морских пищевых цепей. Его рост влияет на всю экосистему океана:

• Больше фитопланктона → больше зоопланктона (креветки, копеподы).
• Больше зоопланктона → увеличение численности рыб, включая промысловые виды (сардины, анчоусы).
• В долгосрочной перспективе это может способствовать росту популяции морских млекопитающих, таких как киты, которые питаются планктоном и мелкими рыбами.

3. Кислородный баланс планеты

Фитопланктон производит более 50% кислорода на Земле — больше, чем все леса вместе взятые.

• Увеличение его численности способствует более активному выделению кислорода в атмосферу.
• Это особенно важно, учитывая, что климатические изменения и загрязнение океанов могут снижать продуктивность морских экосистем.

Таким образом, искусственное удобрение океана железом могло бы дать экологические и экономические преимущества, но остаётся вопрос — какой ценой?

Как проходили эксперименты?

В июле 1988 года, во время лекции в Океанографическом институте Вудс-Хоул, океанограф Джон Мартин сказал: "Give me a half tanker of iron, and I will give you an ice age." ("Дайте мне полтанкера железа, и я устрою вам ледниковый период."). 

Идея удобрять океан железом появилась в конце 1980-х, но первый эксперимент был проведён только в 1993 году.

IronEx I (1993): первый эксперимент

В 1993 году вдохновлённая гипотезой Джона Мартина  исследовательская группа провела первый эксперимент по удобрению океана железом — IronEx I.

Цель:
Проверить, действительно ли добавление железа способно стимулировать бурный рост фитопланктона в экваториальной части Тихого океана, где естественная концентрация железа крайне низкая.

Метод:

• В экспериментальную зону (50 км²) добавили 445 кг растворимого сульфата железа (FeSO₄).
• За распределением железа и реакцией фитопланктона следили спутниковые снимки и измерения на месте.

Результаты:

• В течение четырёх дней биомасса фитопланктона увеличилась в 3 раза.
• Уровень хлорофилла (основного показателя фотосинтетической активности) значительно вырос.
• Поглощение CO₂ водой усилилось, но точный масштаб этого эффекта не удалось зафиксировать.

Этот эксперимент подтвердил, что железо действительно является лимитирующим фактором для роста фитопланктона в открытом океане.

Подробнее об эксперименте можно узнать в работе Martin et al. (1994), опубликованной в журнале Nature.

IronEx II (1995): масштабирование идеи

Успех IronEx I вдохновил учёных на проведение более крупного эксперимента в 1995 году. IronEx II расширил зону удобрения и улучшил методику наблюдений.

Цель:
Детальнее изучить долгосрочные последствия удобрения железом и влияние увеличенного роста фитопланктона на поглощение CO₂.

Метод:

• В экспериментальную зону размером 72 км² добавили 450 кг FeSO₄.
• В отличие от IronEx I, железо добавлялось не единовременно, а постепенно, что имитировало естественные условия поступления микроэлементов.
• Измерялись концентрации CO₂, продуктивность фитопланктона, а также влияние на морскую экосистему.

Результаты:

• В течение 5 дней концентрация хлорофилла выросла в 30 раз (!).
• Рост фитопланктона привёл к снижению уровня CO₂ в воде и усиленному фотосинтезу.
• Заметили увеличение зоопланктона, который питался выросшим фитопланктоном.

IronEx II продемонстрировал, что удобрение железом может вызвать массовые цветения фитопланктона, но также показал, что этот эффект временный. Когда железо заканчивалось, рост фитопланктона снова замедлялся.

Результаты описаны в статье Coale et al. (1996), опубликованной в Nature.

SOIREE (1999): проверка в Южном океане

*Южный океан – это водный бассейн, окружающий Антарктиду, официально признанный Международной гидрографической организацией с 2000 года.

Ранее эксперименты IronEx проводились в экваториальных водах, но многие учёные считали, что удобрение железом может быть ещё эффективнее в полярных районах. Так появился проект SOIREE (Southern Ocean Iron Release Experiment).

Цель:
Выяснить, как удобрение железом влияет на рост фитопланктона в холодных антарктических водах.

Метод:

• В зону размером 50 км² в течение 13 дней добавляли 1,7 тонны FeSO₄.
• В отличие от IronEx, наблюдения длились дольше: 5 недель.
• Измеряли концентрацию хлорофилла, состав планктона и уровень CO₂ в воде.

Результаты:

• Вода быстро стала ярко-зелёной — фитопланктон поглотил железо и начал активно размножаться.
• Биомасса выросла в 10 раз.
• Фиксировалось усиленное поглощение CO₂ океаном.

SOIREE доказал, что удобрение железом эффективно даже в холодных водах, где биологическая продуктивность традиционно ниже.

Подробнее об эксперименте см. Boyd et al. (2000), опубликованном в Nature.

LOHAFEX (2009): самый масштабный эксперимент

SOIREE вдохновил новые исследования, в том числе LOHAFEX (2009) — самый масштабный эксперимент по удобрению железом.

Цель:
Изучить влияние цветения фитопланктона на морские экосистемы и оценить эффективность фиксации CO₂ в глубоких слоях океана.

Метод:

• В зону размером 300 км² в течение 39 дней добавили 6,5 тонн FeSO₄.
• Оценивали биомассу, потоки углерода и реакцию морской экосистемы.

Результаты:

• Рост фитопланктона действительно увеличился, но не настолько, как ожидалось.
• Значительную часть фитопланктона съел зоопланктон, не дав CO₂ опуститься в глубины.
• В результате, долгосрочное связывание углерода оказалось менее эффективным.

Подробнее об эксперименте см. Smetacek et al. (2012), опубликованном в PNAS.

А стоит ли оно того?

Доктор прописал мне пить железо. Теперь у меня нет гаража и машины. Анекдот

Казалось бы, вот оно — простое и доступное решение климатических проблем, но у него есть и обратная сторона.

Плюсы удобрения океана железом:

• Увеличение биомассы фитопланктона и усиленное поглощение CO₂.
• Потенциальное улучшение пищевой цепи, что может привести к росту популяции рыбы и китов.

Минусы (внимание, возможны побочные эффекты!):

• Гипоксия. Когда фитопланктон отмирает, он тонет и разлагается, потребляя кислород. В результате могут возникать зоны с низким содержанием кислорода, где жизнь становится невозможной.
• Эффект масштаба. Исследование LOHAFEX (2009) показало, что лишь небольшая часть поглощённого CO₂ оседает в глубоких слоях океана.
• Изменение экосистемы. Никто не знает, к каким долгосрочным последствиям приведёт массовое удобрение океана. Может, мы случайно накормим не те организмы?

Пока результаты краткосрочных экспериментов впечатляют, долгосрочные последствия остаются загадкой.