Neve marinha: nova fórmula para colisões e o carbono do oceano

Durante décadas, os cientistas que tentam calcular com que frequência as partículas que afundam no oceano chocam entre si têm trabalhado com dois modelos rivais. Sempre que esses modelos devolviam resultados diferentes, era comum somá-los e assumir que a aproximação era suficientemente boa.

Novas contas feitas por físicos na Polónia indicam, contudo, que essa estratégia combinada pode falhar a taxa real de colisões por um factor de 100. E esse desvio atravessa directamente os valores usados para estimar quanto carbono o oceano consegue, de facto, sequestrar.

A neve marinha armazena carbono

A chamada neve marinha forma-se perto da superfície iluminada do oceano. O fitoplâncton transforma dióxido de carbono em matéria orgânica e, quando morre, os seus restos agregam-se com muco e pellets fecais, originando flocos soltos.

Alguns desses flocos são mais pequenos do que um grão de pó. Outros chegam a ter alguns milímetros de largura e descem à deriva a velocidades que podem atingir cerca de 100 metros por dia.

Os flocos que conseguem sobreviver à viagem prendem carbono nas profundezas durante séculos através da bomba biológica de carbono, um dos principais mecanismos do planeta para retirar da atmosfera gases com efeito de estufa.

Ainda assim, apenas uma pequena fracção chega ao oceano profundo. De acordo com um artigo que revê décadas de medições, a maior parte é consumida por bactérias ou zooplâncton nas camadas superiores.

Jan Turczynowicz, estudante de Física na Universidade de Varsóvia (UW), é o autor principal do novo estudo. O seu objectivo foi perceber porque é que os encontros nas camadas superficiais têm consequências tão determinantes.

Duas formas de ver as colisões

Ao descerem, as partículas acabam por embater umas nas outras. Há colisões que colam flocos pequenos a agregados maiores, acelerando a queda. Outras fazem com que o floco apanhe bactérias que o consomem por dentro, fragmentando-o.

A probabilidade de um floco chegar ao fundo depende, em parte, de quantas vezes ele esbarra noutros objectos. Para estimar essa frequência, os investigadores têm recorrido a dois modelos concorrentes.

Um deles descreve o processo como movimento browniano - a vibração aleatória de partículas minúsculas empurradas pelas moléculas de água. O outro modela um floco a afundar rapidamente, que vai interceptando objectos menores e mais lentos ao longo do seu trajecto.

Ambos captam uma parte da realidade - e ambos falham. Nenhum, por si só, reproduz o que acontece quando um floco atravessa uma zona do oceano particularmente carregada de partículas pequenas.

Unir as duas perspectivas numa só

Na prática, os dois efeitos actuam em simultâneo. Um floco em queda varre algumas partículas por intercepção directa e apanha outras porque o movimento aleatório as leva ao contacto.

O problema é que, nos extremos, os dois modelos devolvem valores que divergem de forma acentuada. Um sugere quase nenhum encontro; o outro aponta para muitos.

Turczynowicz e os seus colegas resolveram as equações para uma esfera a sedimentar num fluido enquanto objectos mais pequenos difundem à sua volta. Depois, executaram simulações cobrindo toda a gama de tamanhos de partículas e velocidades de afundamento.

O resultado foi uma única fórmula aplicável quer quando as partículas são sobretudo empurradas pela agitação aleatória, quer quando são principalmente varridas pelo caminho do floco - e também em todos os casos intermédios. Duas imagens, uma equação.

Subestimar a neve marinha

A principal conclusão surge no extremo de maior velocidade de afundamento. Quando flocos grandes avançam sobre picoplâncton muito pequeno, o modelo clássico de varrimento falha grande parte das interacções. Nessa situação, assumia-se que a difusão seria desprezável. Afinal, não é.

“Este método produz um erro que não excede 20%”, disse Turczynowicz, referindo-se ao hábito de simplesmente somar os dois modelos de colisão já existentes.

Somar as duas taxas até podia aproximar o resultado, mas a física por trás dessa soma não estava correcta - e, ao extrapolar essa prática, o erro pode crescer de forma substancial.

Ao comparar a abordagem padrão de varrimento com o modelo totalmente integrado, a diferença chegou a duas ordens de grandeza. Em certos casos, os encontros aconteciam até 100 vezes mais do que previa a fórmula antiga.

A física coincide com grupos de plâncton

A matemática trouxe ainda uma surpresa. O limite entre os dois regimes de colisão - o ponto em que a deriva browniana dá lugar ao varrimento directo - fica praticamente no mesmo sítio onde os biólogos separam o picoplâncton do nanoplâncton. Áreas diferentes, a mesma linha divisória.

Isto sugere que as categorias não são meramente convencionais: correspondem a uma transição física real na forma como os organismos mais pequenos interagem com detritos em afundamento.

O que o modelo não capta

Este enquadramento é teórico, não uma medição directa. Parte do pressuposto de partículas esféricas em escoamento lento e suave e trata as interacções apenas dois a dois.

Na realidade, a neve marinha é irregular e grumosa e, muitas vezes, está envolvida por halos de muco viscoso que se prolongam atrás dos agregados como caudas de cometa - como mostrou um estudo recente sobre partículas no Golfo do Maine.

Os autores reconhecem explicitamente essa diferença. Ainda assim, a nova fórmula oferece um ponto de partida muito mais limpo do que a antiga escolha binária e reduz a parcela do problema que os investigadores tinham de “ajustar” com pressupostos.

Neve marinha e carbono do oceano

Há 50 anos que os biólogos marinhos tentam quantificar quanto carbono o oceano profundo realmente absorve. Essa resposta entra directamente em modelos climáticos, previsões para as pescas e projecções sobre a forma como o aquecimento vai alterar a química do oceano.

Se partículas pequenas encontram partículas grandes 100 vezes mais frequentemente do que se supunha, então a rapidez com que se agregam, a velocidade a que os micróbios as colonizam e o momento em que esse carbono volta a ser degradado podem exigir novos valores.

Isto não significa, obrigatoriamente, que mais carbono chegue ao fundo do mar. Encontros mais rápidos podem acelerar a degradação com a mesma facilidade com que podem acelerar o afundamento.

O que a nova análise sugere é que o “relógio” subjacente corre mais depressa e que os modelos baseados na fórmula antiga provavelmente subestimam a rapidez com que o destino da neve marinha é decidido no oceano superior.