Systematyczne odchylenie w pomiarach pH przez boje prowadzi do przeszacowania pochodnej pCO2 i niedoszacowania wychwytu węgla przez Ocean Południowy

Dlaczego drobne pomiary oceaniczne mają znaczenie

Ocean Południowy, rozległy pierścień wód otaczających Antarktydę, wchłania w sposób nieproporcjonalny dużą część nadmiarowego ciepła i dwutlenku węgla planety. Ponieważ jest odległy i burzliwy, naukowcy coraz częściej polegają na robotycznych bojach profilujących zamiast na statkach, aby śledzić, ile CO2 faktycznie absorbuje ten ocean. Badanie to pokazuje, że subtelny, lecz systematyczny błąd w sposobie, w jaki te boje mierzą kwasowość (pH), prowadzi do przeszacowania ilości rozpuszczonego wody CO2 — a zatem do niedoszacowania rzeczywistego wychwytu węgla przez Ocean Południowy z atmosfery.

Roboty obserwujące trudno dostępny ocean

Biogeochemiczne boje Argo to swobodnie unoszące się instrumenty, które co kilka dni nurkują od powierzchni do około 2000 metrów, mierząc temperaturę, zasolenie, tlen, składniki odżywcze i pH. W Oceanie Południowym duże sieci tych bojów dostarczają obecnie znacznie częstszych pomiarów niż kiedykolwiek mogłyby zapewnić statki. Na podstawie pH i oszacowanej wartości innej właściwości chemicznej zwanej alkalicznością, naukowcy obliczają ciśnienie cząstkowe CO2 (pCO2) w wodzie morskiej, które następnie służy do oszacowania wymiany CO2 między oceanem a atmosferą. Zaskakująco, obliczenia oparte na bojach sugerowały, że Ocean Południowy ogólnie emituje CO2, co stoi w sprzeczności z pomiarami statków i samolotów, które wskazują, że jest on netto pochłaniaczem węgla.

Porównanie robotów ze statkami w starych, głębokich wodach

Aby ustalić, czy błąd leży po stronie boj czy tradycyjnych obserwacji, autorzy porównali profile boj z wysokiej jakości danymi ze statków z Global Ocean Data Analysis Project. Kluczowe było skupienie się najpierw na masach wód głębokich, które odizolowane są od atmosfery od czasów przedindustrialnych i dlatego zawierają bardzo mało antropogenicznego węgla. W tych „starych” wodach każda różnica między pomiarami boj i statków powinna w przeważającej mierze odzwierciedlać błąd instrumentu, a nie rzeczywistą zmianę środowiskową. Porównanie wykazało, że odczyty boj i statków zgadzają się ściśle dla temperatury, zasolenia, tlenu, azotanów i alkaliczności, ale nie dla systemu węglowego: pH mierzone przez boje jest średnio niższe o około 0,021 jednostki niż pH ze statków, a pCO2 obliczone z danych boj jest wyższe o około 20 mikroatmosferów.

Błąd od powierzchni po dno, nie tylko na powierzchni

Grupując dane według przedziałów głębokości, badanie wykazało, że te rozbieżności występują przez dużą część kolumny wodnej, zwłaszcza między 200 a 1500 metrami, i zmniejszają się dopiero w najgłębszych warstwach. Ponieważ wartości pCO2 oblicza się na podstawie pH i alkaliczności, a alkaliczność dobrze zgadza się między bojami a statkami, najbardziej prawdopodobnym winowajcą jest systematyczne przesunięcie w pomiarach czujników pH i w sposobie ich korekcji. Obecne przetwarzanie zakłada, że jedna korekta ustalona na około 1500 metrach ma zastosowanie jednakowo na wszystkich głębokościach. Wzorzec rozbieżności zależny od głębokości sugeruje, że takie jednopunktowe podejście nie zawsze jest ważne: korekta wydaje się działać stosunkowo dobrze poniżej 1500 metrów, ale pozostawia znaczny błąd resztkowy wyżej w kolumnie wodnej.

Jak błędy na powierzchni zniekształcają oszacowania przepływów węglowych

Ponieważ wymiana CO2 między powietrzem a morzem zależy bezpośrednio od pCO2 na powierzchni, autorzy oszacowali następnie błąd bezpośrednio w „skórce” oceanu. Korzystając z połączonej analizy odchyleń CO2 i tlenu od ich wartości równowagowych, oszacowali, że pCO2 na powierzchni wyliczane z danych boj jest zawyżone o około 14 mikroatmosferów. Niezależne porównanie z globalnym produktem pCO2 powierzchniowym opartym na danych ze statków i innych bezpośrednich pomiarów dało bardzo podobny wynik, około 17 mikroatmosferów. Te dowody razem wskazują na średnie uproszczone oszacowanie błędu powierzchniowego rzędu 15±3 mikroatmosfer na setkach profili boj w Oceanie Południowym — znacznie większe niż wcześniej zakładano. Testy statystyczne pokazują, że to przesunięcie nie może być wyjaśnione przypadkowym błędem pomiarowym, zmianami sezonowymi ani długoterminowymi trendami zakwaszania.

Co to oznacza dla naszego obrazu Oceanu Południowego

Jeśli wartości pCO2 na powierzchni pochodzące z boj są systematycznie zawyżone, wcześniejsze badania przedstawiały Ocean Południowy jako mniejszy pochłaniacz węgla niż jest w rzeczywistości. Korzystając z opublikowanych związków między odchyleniem pCO2 a strumieniem węglowym, autorzy szacują, że skorygowanie tego błędu odwróciłoby oszacowania oparte na bojach z netto emisji CO2 na netto pochłanianie, zbliżając je znacznie do ocen ze statków i samolotów. Innymi słowy, zamiast nas zawodzić, Ocean Południowy może pochłaniać znacznie więcej antropogenicznego CO2, niż sugerowały niektóre analizy bojowe. Badanie kończy się wnioskiem, że bardziej wyrafinowana, uwzględniająca głębokość kalibracja danych pH z boj — oparta na utrzymywanych, wysokiej jakości pomiarach ze statków — będzie niezbędna, aby w pełni wykorzystać autonomiczne systemy obserwacyjne przy jednoczesnym zachowaniu solidnych podstaw globalnego budżetu węglowego.

Cytowanie: Zhang, C., Wu, Y., Brown, P.J. et al. A systematic bias in float pH leads to overestimation of derived pCO₂ and underestimation of carbon uptake by the Southern Ocean. Sci Rep 16, 13929 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43863-4

Słowa kluczowe: pochłanianie węgla przez Ocean Południowy, błąd pomiaru pH w oceanie, biogeochemiczne boje Argo, strumień CO2 powietrze–morze, cykl węglowy oceanu