マーティン曲線

マーティン曲線は海洋学者が粒子状有機炭素（POC）の海底への流出を説明するために使用するべき乗法則です。この曲線は、水柱の基準深度と、 POCの垂直フラックスが減衰する速度の尺度である再鉱化パラメータという2つのパラメータによって制御されます。^{[1]この曲線は、アメリカの海洋学者}ジョン・マーティンにちなんで名付けられました。

マーティン曲線は海洋炭素循環の研究に使用されており、大気中の_CO2レベルの調節における海洋の役割の理解に貢献しています。

海洋における粒子状有機炭素（POC）プールの動態は、海洋炭素循環の中心です。POCは、表面の一次生産、深海、海洋堆積物をつなぐものです。暗い海でPOCが分解される速度は、大気中の_CO2濃度に影響を与える可能性があります。^[2]

生物炭素ポンプ（BCP）は、大気中のCO ₂を海洋に吸収して海洋内部に輸送する重要なメカニズムです。BCPがなければ、産業革命前の大気中のCO ₂濃度（約280 ppm）は約460 ppmに上昇していたでしょう。^[3]現在、海洋表層から海洋内部への粒子状有機炭素（POC）フラックスは、 ¹年あたり4～13 Pg-Cと推定されています。^[4] BCPの効率を評価するには、POCフラックスの深さによる垂直減衰を定量化する必要があります。POCがより深く輸送されるほど、CO _{2 が}大気から隔離される時間が長くなるためです。したがって、BCPの効率が増加すると、大気中のCO _2の海洋炭素隔離が増加する可能性があり、地球温暖化に対する負のフィードバックにつながります。^[5] 1980年代以降、さまざまな研究者がPOCフラックスの垂直減衰を調査してきました。^{[6] [7] [8] [9] [5]}

1987年にマーティンらはPOCフラックスの減衰を記述するために次のべき乗関数を提案した。^[10]

${\displaystyle F_{z}=F_{100}\left({\frac {z}{100}}\right)^{-b}}$                 （１）

ここで、zは水深（m）、F _zとF _{100 はそれぞれ}zメートルと100メートルの深さでのPOCフラックスです。指数曲線などの他の関数も提案され検証されていますが、^{[11] [12]}このべき乗関数は一般に「マーティン曲線」と呼ばれ、BCPの議論で非常に頻繁に使用されています。この式の指数bはBCP効率の指標として使用されています。指数bが大きいほど、POCフラックスの垂直減衰率が高くなり、BCP効率が低くなります。^{[13]さらに、数値シミュレーションでは、bの値の変化が大気中のCO} ₂濃度を大幅に変化させることが示されています。^{[14] [15] [16] [5]}

その後、他の研究者は、粒子の分解性と沈降速度に関する仮定から、別の再石灰化プロファイルを導き出しました。 ^{[17] [18] [12] [19] [20] [21] [22] [6]}しかし、マーティン曲線は、沈降速度が遅く不安定な有機物が表面近くで優先的に枯渇し、深度とともに沈降速度や再石灰化の時間スケールが増加すると仮定したモデルとして広く普及しました。^{[10] [23]}

マーティン曲線は、もう少し一般的な方法で次のように表現することができます。^[24]

${\displaystyle f_{p}{(z)}=C_{p}z^{-b}}$

ここで、f _p ( z )は、表面近くの生産層 ^[25]から深度地平線z [m]に沈む粒子状有機物のフラックスの割合、C _p [ m ^b ]はスケーリング係数、bは深度とともにf _pがどのように減少するかを制御する無次元指数です。この式は、基準深度z _oに正規化されることが多いですが、このパラメータはC _pに容易に吸収されます。^[24]

POCフラックスの垂直方向の減衰率は、水柱におけるPOCの沈降速度と分解率に大きく依存する。POCは不安定で負の浮力がほとんどないため、海洋中で重力によって沈殿させるためにはバラストと呼ばれる比較的重い物質と凝集する必要がある。バラストとして使用できる物質には、生物起源オパール（以下「オパール」）、CaCO ₃、アルミノケイ酸塩などがある。1993年、Ittekkotは、最終氷期極大期に大気中のCO _{2が約280 ppmから約200} ppmに急激に減少したのは、風成塵（アルミノケイ酸塩バラスト）の海洋への流入が増加し、それがBCPを強化したためだと仮説を立てた。 ^[26] 2002年、KlaasとArcher、およびFrancoisらは、 POCが海洋中でどのように分布しているかを調べるために、海水中のCO 2濃度を測定した。地球規模の堆積物トラップのデータを収集・分析した研究者らは、CaCO ₃はバラスト鉱物の中で最も密度が高く、海洋有機化合物の垂直輸送を最も効果的に促進する物質であると示唆した。その理由は、CaCO _3が海洋雪の主成分である亜熱帯および熱帯地域では、輸送効率（深海のPOCフラックスと表層混合層の底部のPOCフラックスの比）が高いためである。^{[27] [28] [5]}

_{CaCO 3 を}多く含む粒子の沈降速度は高いことが報告されている。^{[29] [30]}これらの知見を考慮した数値シミュレーションでは、将来の海洋酸性化により海洋石灰化が減少し、BCP の効率が低下することが示唆されている。^[31]さらに、亜熱帯および熱帯地域では、POC 輸出率（上層（100 メートルなどの固定深度、または有光層または混合層）からの POC フラックスと純一次生産性の比率）が低いのは、上層の高温により POC 分解速度が上昇するためである。^{[32]その結果、これらの低緯度地域では POC と CaCO} ₃の転送効率が高くなり、強い正の相関関係が生まれる可能性がある。つまり、微生物が分解しやすい新鮮な不安定な POC が上層で分解され、比較的難分解性の POC が低緯度地域の海洋内部に運ばれる。^{[28] [33] [5]}

珪藻類の大量発生時に高緯度地域でPOCフラックスが大幅に増加するという観察結果と、珪藻類が円石藻類よりもはるかに大きいという事実に基づいて、 [ ^{35] [36] [37]}本田と渡辺は2010年に、亜北極地域でのPOCの効率的な垂直輸送には、CaCO ₃ではなくオパールがバラストとして重要であると提案しました。 ^[38] Weberらは2016年に、輸送効率とプランクトンのピコプランクトン分率の間に強い負の相関関係があり、珪藻類などの大型植物プランクトンが優勢な高緯度地域で輸送効率が高いことを報告しました。 ^{[39]彼らはまた、少なくとも100年間海洋内部に隔離されている垂直輸送されたCO} ₂の割合は、低緯度地域よりも高緯度地域の方が高いと計算しました。^{[39] [5]}

対照的に、Bachらは2019年にメソコズム実験を行い、プランクトン群集構造が沈降速度にどのように影響するかを研究し、生産性の高い時期には凝集粒子の沈降速度が必ずしも高くなるわけではないと報告した。これは、当時生成された凝集粒子が非常にふわふわしていたためであり、むしろ、植物プランクトンが小細胞に支配されていたときに沈降速度が高かった。^[40] 2012年にHensonらは地球規模のセジメントトラップデータを再検討し、POCフラックスはオパール輸出フラックスと負の相関があり、CaCO ₃輸出フラックスとは無相関であると報告した。^{[33] [5]}

水柱に沈降するPOCの生物学的分解速度に影響を与える主な要因は、水温と溶存酸素（DO）濃度です。水温とDO濃度が低いほど、生物学的呼吸速度が遅くなり、結果としてPOCフラックスの分解速度も遅くなります。^{[41] [42] [43] [44]}たとえば、2015年にMarsayは他の研究者と共に、水柱の上部500メートルにある中性浮力の沈殿トラップからのPOCフラックスデータを分析し、上記の式（1）の指数bと水温の間に有意な正の相関関係があることを発見しました（つまり、水が暖かいほどPOCフラックスはより急速に減衰しました）。^[41]さらに、Bach et al.珪藻類とシネココッカス（有害藻類）が優勢な植物プランクトンである場合、動物プランクトンの増加（減少）とそれに伴う摂食圧の増加（減少）により、POC分解率が高く（低く）なることがわかった。^{[40] [5]}

2019年、Paviaらは放射化学観測（234ThベースのPOCフラックス観測）を用いて、マーティン曲線の指数bが低酸素（低酸素）の東太平洋赤道域では他の地域よりも有意に小さいことを発見しました。つまり、POCフラックスの垂直減衰は低酸素域でより小さいということです。^[44]彼らは、将来的に海洋の低酸素化が進むとPOCフラックスの減衰が低下し、BCP効率が増加し、地球温暖化に対する負のフィードバックになる可能性があると指摘しました。^[44] McDonnellらは2015年に、亜熱帯大西洋よりも沈降速度が高く生物呼吸率が低い南極でPOCの垂直輸送がより効果的であると報告しました。^[45] Hensonらまた、2019年には、一次生産性が低い開花前期には輸出率が高く、一次生産性が高い開花後期には輸出率が低いことも報告されている。^[46]彼らは、開花後期の輸出率が低いのは、微小動物プランクトンと細菌による摂食圧力によるものだとしている。^{[46] [5]}

BCPに関するこれらの多くの調査にもかかわらず、POCフラックスの垂直減衰を支配する要因は依然として議論の的となっている。亜北極地域での観測では、深さ1000メートルと2000メートルの間での移動効率は比較的低く、有光層の底と深さ1000メートルの間での移動効率は比較的高いことがわかっている。^[41]そのため、Marsayらは2015年に、Martin曲線はすべての地域でPOCフラックスの垂直減衰を適切に表現していないため、代わりに地域ごとに異なる式を開発する必要があると提案した。^[41] Gloegeら2017年にPOCフラックスの垂直減衰のパラメータ化について議論し^[11]、薄明帯（有光層の底から1000mまで）におけるPOCフラックスの垂直減衰は、べき乗法則モデル（マーティン曲線）だけでなく、指数モデル^[18]やバラストモデル[17]によっても適切にパラメータ化できることを報告した。^[ 5  ^]

しかし、指数モデルは真夜中のゾーン（1000メートル以上の深さ）のPOCフラックスを過小評価する傾向があります。CaelとBissonは2018年に、指数モデル（べき乗法則モデル）は上層のPOCフラックスを過小評価し、深層で過大評価する傾向があると報告しました。^[12]しかし、「マーティン曲線」を提案するために使用された東太平洋のPOCフラックスデータセットに適用した場合、両方のモデルのPOCフラックスを記述する能力は統計的に同等でした。^[10]北東太平洋での長期研究で、Smithらは2018年に、異常に高い転送効率を伴うPOCフラックスの突然の増加を観察しました。彼らは、マーティン曲線はそのような突然の増加を表現できないため、BCP強度を過小評価することがあるのではないかと示唆しています。^[47]さらに、これまでの研究結果とは反対に、亜熱帯地域では亜北極地域よりも特に深海への移動効率が有意に高いことが報告されている。^{[33] [41] [42]}このパターンは、高緯度地域と低緯度地域の深海の温度とDO濃度の差が小さいこと、およびCaCO _3が深海のマリンスノーの主成分である亜熱帯地域での沈降速度が高いことに起因している可能性がある。さらに、POCは高緯度地域よりも低緯度地域で難分解性である可能性もあります。 ^{[33] [41] [42] [5]}

海洋の生物ポンプは、海洋表面で植物プランクトンによって生成された有機炭素を海洋雪を介して海洋内部に輸送し、そこで海洋微生物によって有機炭素が消費され、呼吸されることにより、大気中の二酸化炭素濃度と気候を調節する。この表面から深層への輸送は、通常、沈降粒子濃度と深度のべき乗法則の関係で説明される。生物ポンプの強度の不確実性は、さまざまな変数値（パラメトリック不確実性）または有機物輸出を説明する基礎方程式（構造的不確実性）に関連している可能性がある。2021年、ローダーデールは、基準べき乗法則曲線に適合する6つの代替再鉱化プロファイルを体系的に置換することにより、海洋生物地球化学モデルを使用して構造的不確実性を評価しました。構造的不確実性は、大気中のpCO _{2 の}観点から約3分の1を占め、生物ポンプの全体的な不確実性に大きく寄与しており、観測から生物ポンプの特性評価を改善し、気候モデルにそのメカニズムを含めることの重要性を強調しています。^{[24] [48]}

炭素と栄養素は、一次生産中に海洋表層の植物プランクトンによって消費され、有機物の下方へのフラックスにつながります。この「マリンスノー」は、深海で従属栄養生物によって変換、呼吸、分解され、最終的にそれらの成分が溶解した無機物の形に戻ります。海洋の反転と乱流混合により、資源の豊富な深海が太陽の光が当たる表層に戻り、地球全体の海洋の生産性が維持されます。生物ポンプは、有機物の吸収、垂直輸送、再鉱化を通じてこの栄養素の垂直勾配を維持し、100年から1000年のタイムスケールで大気から隔離された深海に炭素を貯蔵し、大気中のCO ₂レベルを数百マイクロ大気低下させます。^{[49] [50]}生物ポンプは、複雑な生物学的、化学的、および物理的プロセスの組み合わせが関係しているため、単純なメカニズムの特徴付けが困難です。^[51]そのため、輸出された有機炭素の運命は、沈降する粒子状物質の分解を評価するために、通常、深度依存プロファイルを使用して説明されます。^[24]

• 粒子状無機炭素