DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-03118-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41694704
تاريخ النشر: 2026-02-12
المؤلف: Richard G. Williams وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات المحيطية والجوية
نظرة عامة
يلعب تيار الخليج دورًا حاسمًا في نظام المناخ من خلال نقل الحرارة وتفاعلات الهواء والبحر، لكن تأثيره على دورة الكربون أقل فهمًا. تبحث هذه الدراسة في تيار الخليج كـ “تيار بيولوجي كيميائي”، الذي يسهل تدفقًا أفقيًا تحت السطح لمياه غنية بالمغذيات ومنخفضة في الكربون الناتج عن الأنشطة البشرية. تشير تجارب النمذجة إلى أن الجسيمات التي يتم إطلاقها من طبقات كثيفة عند أصل تيار الخليج تنتقل إلى الدوامة تحت القطبية، بينما تبقى الجسيمات التي يتم إطلاقها من السطح في المناطق شبه الاستوائية. يعزز هذا التيار البيولوجي الكيميائي من سحب الكربون الجوي في المناطق تحت القطبية من خلال نقل مياه قديمة غنية بالمغذيات على طول طبقات الكثافة، والتي، عند ظهورها، تساهم في امتصاص الكربون.
تظهر تحليلات حساسية النموذج الإضافية وجود اتصال بين محتوى الكربون في المحيط العلوي تحت القطبي والمياه الكثيفة upstream لتيار الخليج، مع فترة زمنية تتراوح بين 4 إلى 8 سنوات. ومع ذلك، تشير الدراسة إلى أن تغير المناخ قد يقلل من توصيل هذه المياه الغنية بالمغذيات والتي تعاني من نقص الكربون الناتج عن الأنشطة البشرية إلى الطبقة المختلطة تحت القطبية، مما قد يقلل من قدرة شمال المحيط الأطلسي على امتصاص الكربون الجوي في المستقبل.
طرق البحث
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون منهجية شاملة لتحليل تيار الخليج والبيئة المحيطة به، مستفيدين من مجموعات بيانات متنوعة من ديسمبر 2022، بما في ذلك نظام تحليل وتوقع المحيط العالمي Mercator، وتدفق الحرارة السطحية الصافية من الهواء إلى البحر ERA5، واستخدام النترات السنوي من أطلس المحيط العالمي 2023. تم حساب تدفق CO₂ من الهواء إلى البحر باستخدام المعادلة \( F = kK_0 (\Delta pCO_2) \)، حيث \( F \) يمثل التدفق، و\( k \) هو سرعة نقل الغاز، و\( K_0 \) هو الذوبانية، و\( \Delta pCO_2 \) هو الفرق في الضغط الجزئي لـ CO₂ بين مياه البحر والهواء. كما قدرت الدراسة إمكانيات امتصاص الكربون وتركيزات الكربون الناتج عن الأنشطة البشرية باستخدام بيانات هيدروغرافية تاريخية ونموذج CO2SYS.
لتقييم مسارات تيار الخليج، تتبع الباحثون 10,000 جسيم افتراضي من مياه البحر تم إطلاقه على أعماق مختلفة في مضيق فلوريدا على مدى فترة 10 سنوات، مستفيدين من مجالات التدفق ثلاثية الأبعاد من نموذج ECCOv4 الإصدار 2. شمل التحليل حسابات حساسية لمحتوى الكربون تحت القطبي باستخدام نموذج ملحق، مما سمح بتقييم فعال لكيفية تأثير المدخلات المختلفة على مخرجات نموذج المحيط. تم تشغيل النموذج تحت ظروف CO₂ ما قبل الصناعة، وتم إجراء محاكاة لاحقة لتحليل حساسية محتوى الكربون غير العضوي المذاب (DIC) استجابةً للشذوذ upstream. أبرزت النتائج السيطرة upstream على محتوى DIC في شمال المحيط الأطلسي تحت القطبي، مما يوفر رؤى حول الديناميات البيولوجية الكيميائية في المنطقة.
نقاش
يلعب تيار الخليج دورًا محوريًا في أنظمة المناخ والكربون في شمال المحيط الأطلسي، بشكل أساسي من خلال آليات نقل الحرارة ونقل المغذيات. ينقل المياه الاستوائية الدافئة نحو الشمال، مما يؤثر بشكل كبير على الظروف الجوية ومسارات العواصف المحلية. إن مساهمة تيار الخليج في نقل حرارة المحيط أساسية للحفاظ على مناخ الشتاء المعتدل في غرب أوروبا، حيث يتم نقل حوالي نصف حرارة المحيط عند 25°N إلى الغلاف الجوي عند 50°N. بينما تم دراسة تأثير تيار الخليج على المناخ بشكل موسع، فإن تأثيراته على الدورات البيولوجية الكيميائية، وخاصة استخدام المغذيات وتبادل CO₂ بين الهواء والبحر، تستدعي مزيدًا من التحقيق.
يسهل تيار الخليج “تيار المغذيات”، الذي يتميز بالنقل الأفقي للمغذيات من المناطق شبه الاستوائية إلى الدوامة تحت القطبية، وهو أمر حاسم للحفاظ على الإنتاجية البيولوجية العالية في خطوط العرض العالية. يتم نقل المغذيات داخل طبقات كثافة محددة، حيث تأتي المغذيات المكونة مسبقًا من المحيط الجنوبي والمغذيات المتجددة من العمليات البيولوجية. يعزز هذا الآلية لنقل المغذيات من الإنتاجية البيولوجية للدوامة تحت القطبية من خلال تزويد الطبقة المختلطة الشتوية بالمغذيات الأساسية. بالإضافة إلى ذلك، يؤثر تيار الخليج أيضًا على إعادة توزيع الكربون، حيث يحمل الكربون غير العضوي المذاب (DIC) والكربون الناتج عن الأنشطة البشرية نحو الشمال. عادةً ما تكون المياه التي ينقلها تيار الخليج غير مشبعة بالكربون الناتج عن الأنشطة البشرية، مما يزيد من قدرتها على امتصاص CO₂ إضافي من الغلاف الجوي عندما تخرج إلى الطبقة المختلطة.
تشير توقعات المناخ المستقبلية إلى أن فعالية خزانات الكربون في المحيط، وخاصة في شمال المحيط الأطلسي، قد تتناقص بسبب تأثيرات تغير المناخ على دوران المحيط الأطلسي العمودي (AMOC). قد يؤدي ضعف AMOC إلى تقليل توصيل المغذيات وإمدادات المياه القديمة غير المشبعة، مما يؤثر في النهاية على الإنتاجية البيولوجية وسحب CO₂ الجوي. يبرز دور تيار الخليج في هذه العمليات البيولوجية الكيميائية أهميته في نظام المناخ، وفهم دينامياته المستقبلية أمر حاسم لتوقع التغيرات في امتصاص الكربون وآليات التغذية المرتدة المناخية في شمال المحيط الأطلسي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-03118-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41694704
Publication Date: 2026-02-12
Author(s): Richard G. Williams et al.
Primary Topic: Oceanographic and Atmospheric Processes
Overview
The Gulf Stream plays a crucial role in the climate system through its heat transport and air-sea interactions, but its influence on the carbon cycle is less understood. This study investigates the Gulf Stream as a “biogeochemical stream,” which facilitates a subsurface horizontal flux of nutrient-rich waters that are low in anthropogenic carbon. Model experiments indicate that particles released from dense layers at the Gulf Stream’s origin travel into the subpolar gyre, while surface-released particles remain in the subtropics. This biogeochemical stream enhances the subpolar drawdown of atmospheric carbon by transporting older, nutrient-rich waters along density layers, which, upon surfacing, contribute to carbon uptake.
Further model sensitivity analyses demonstrate a connectivity between the subpolar upper ocean carbon content and the upstream dense waters of the Gulf Stream, with a timescale of 4 to 8 years. However, the study suggests that climate change may reduce the delivery of these nutrient-rich, anthropogenically carbon-depleted waters to the subpolar mixed layer, potentially diminishing the North Atlantic’s capacity to absorb atmospheric carbon in the future.
Methods
In this study, the authors employed a comprehensive methodology to analyze the Gulf Stream and its surrounding environment, utilizing various datasets from December 2022, including the Operational Mercator global ocean analysis and forecast system, ERA5 air-to-sea net surface heat flux, and annual nitrate utilization from the World Ocean Atlas 2023. The air-sea CO₂ flux was calculated using the equation \( F = kK_0 (\Delta pCO_2) \), where \( F \) represents the flux, \( k \) is the gas transfer velocity, \( K_0 \) is the solubility, and \( \Delta pCO_2 \) is the difference in partial pressure of CO₂ between seawater and air. The study also estimated the carbon uptake potential and anthropogenic carbon concentrations using historical hydrographic data and the CO2SYS model.
To evaluate the Gulf Stream pathways, the researchers tracked 10,000 virtual seawater particles released at varying depths in the Florida Strait over a 10-year period, utilizing three-dimensional flow fields from the ECCOv4 release 2 model. The analysis included sensitivity calculations of subpolar carbon content using an adjoint model, which allowed for efficient assessment of how various inputs influenced the ocean model output. The model was spun up under preindustrial CO₂ conditions, and subsequent simulations were conducted to analyze the sensitivity of dissolved inorganic carbon (DIC) content in response to upstream anomalies. The results highlighted the upstream control of DIC content in the subpolar North Atlantic, providing insights into the biogeochemical dynamics of the region.
Discussion
The Gulf Stream plays a pivotal role in the climate and carbon systems of the North Atlantic, primarily through its heat transfer mechanisms and nutrient transport. It advects warm tropical waters northward, significantly influencing atmospheric conditions and local storm tracks. The Gulf Stream’s contribution to ocean heat transport is integral to maintaining the mild winter climate of western Europe, with approximately half of the ocean heat at 25°N being transferred to the atmosphere by 50°N. While the Gulf Stream’s impact on climate has been extensively studied, its effects on biogeochemical cycles, particularly nutrient utilization and air-sea CO₂ exchange, warrant further investigation.
The Gulf Stream facilitates a “nutrient stream,” characterized by the horizontal transport of nutrients from the subtropical to the subpolar gyre, which is crucial for sustaining high-latitude biological productivity. Nutrients are transported within specific density layers, with preformed nutrients originating from the Southern Ocean and regenerated nutrients from biological processes. This nutrient transport mechanism enhances the biological productivity of the subpolar gyre by supplying essential nutrients to the winter mixed layer. Additionally, the Gulf Stream also influences carbon redistribution, carrying dissolved inorganic carbon (DIC) and anthropogenic carbon northward. The waters transported by the Gulf Stream are typically undersaturated in anthropogenic carbon, which increases their capacity to absorb additional CO₂ from the atmosphere when they outcrop into the mixed layer.
Future climate projections indicate that the effectiveness of ocean carbon sinks, particularly in the North Atlantic, may diminish due to climate change impacts on the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). A weakening AMOC could reduce nutrient delivery and the supply of older, undersaturated waters, ultimately affecting biological productivity and atmospheric CO₂ drawdown. The Gulf Stream’s role in these biogeochemical processes underscores its importance in the climate system, and understanding its future dynamics is critical for predicting changes in carbon uptake and climate feedback mechanisms in the North Atlantic.