Fertilização de ferro - Iron fertilization

Um florescimento de fitoplâncton oceânico no Oceano Atlântico Sul , ao largo da costa da Argentina, cobrindo uma área de cerca de 300 por 50 milhas (500 por 80 km)

A fertilização com ferro é a introdução intencional de ferro em áreas pobres em ferro da superfície do oceano para estimular a produção de fitoplâncton . Isso se destina a aumentar a produtividade biológica e / ou acelerar o dióxido de carbono ( CO
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) sequestro
da atmosfera.

O ferro é um oligoelemento necessário para a fotossíntese nas plantas. É altamente insolúvel na água do mar e em vários locais é o nutriente limitante para o crescimento do fitoplâncton. Grandes florescimentos de algas podem ser criados fornecendo ferro para águas oceânicas com deficiência de ferro. Essas flores podem nutrir outros organismos.

Vários laboratórios oceânicos, cientistas e empresas exploraram a fertilização. Começando em 1993, treze equipes de pesquisa concluíram testes no oceano demonstrando que o florescimento do fitoplâncton pode ser estimulado pelo aumento do ferro. A controvérsia permanece sobre a eficácia do CO atmosférico
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sequestro e efeitos ecológicos. Os mais recentes testes em oceano aberto de fertilização com ferro no oceano foram em 2009 (janeiro a março) no Atlântico Sul pelo projeto Lohafex , e em julho de 2012 no Pacífico Norte ao largo da costa da Colúmbia Britânica , Canadá, pela Haida Salmon Restoration Corporation ( HSRC ).

A fertilização ocorre naturalmente quando as ressurgências trazem água rica em nutrientes para a superfície, como ocorre quando as correntes oceânicas encontram um banco do oceano ou um monte do mar . Esta forma de fertilização produz os maiores habitats marinhos do mundo . A fertilização também pode ocorrer quando o clima carrega a poeira lançada pelo vento por longas distâncias sobre o oceano, ou minerais ricos em ferro são carregados para o oceano por geleiras , rios e icebergs.

História

A consideração da importância do ferro para o crescimento e fotossíntese do fitoplâncton data da década de 1930, quando o biólogo inglês Joseph Hart especulou que as grandes "zonas desoladas" do oceano (áreas aparentemente ricas em nutrientes, mas sem atividade de plâncton ou outra vida marinha) podem ser deficientes em ferro. Poucas discussões científicas foram registradas até a década de 1980, quando o oceanógrafo John Martin, do Moss Landing Marine Laboratories, renovou a controvérsia sobre o assunto com suas análises de nutrientes da água do mar. Seus estudos apoiaram a hipótese de Hart. Essas regiões "desoladas" passaram a ser chamadas de zonas de "alto teor de nutrientes e baixa clorofila" ( HNLC ).

John Gribbin foi o primeiro cientista a sugerir publicamente que a mudança climática poderia ser reduzida adicionando grandes quantidades de ferro solúvel aos oceanos. A piada de Martin em 1988, quatro meses depois, no Woods Hole Oceanographic Institution , "Dê-me meio tanque de ferro e eu lhe darei uma era do gelo ", gerou uma década de pesquisas.

As descobertas sugeriram que a deficiência de ferro estava limitando a produtividade dos oceanos e também ofereceu uma abordagem para mitigar as mudanças climáticas . Talvez o apoio mais dramático para a hipótese de Martin veio com a erupção do Monte Pinatubo em 1991 nas Filipinas . O cientista ambiental Andrew Watson analisou dados globais dessa erupção e calculou que ela depositou aproximadamente 40.000 toneladas de de ferro nos oceanos em todo o mundo. Este único evento de fertilização precedeu um declínio global facilmente observado no CO atmosférico
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e um aumento pulsado paralelo nos níveis de oxigênio .

As partes da Convenção de Dumping de Londres adotaram uma resolução não vinculante em 2008 sobre fertilização (rotulada como LC-LP.1 (2008)). A resolução afirma que as atividades de fertilização oceânica, além da pesquisa científica legítima, "devem ser consideradas contrárias aos objetivos da Convenção e do Protocolo e não se qualificam atualmente para qualquer isenção da definição de dumping". Um Quadro de Avaliação para Pesquisa Científica Envolvendo Fertilização Oceânica, regulando o despejo de resíduos no mar (rotulado como LC-LP.2 (2010)) foi adotado pelas Partes Contratantes da Convenção em outubro de 2010 (LC 32 / LP 5).

Métodos

Existem duas maneiras de realizar a fertilização artificial com ferro: com base em navio direto no oceano e implantação atmosférica.

Implantação com base no navio

Testes de fertilização oceânica usando sulfato de ferro adicionado diretamente à água de superfície de navios são descritos em detalhes na seção de experimentos abaixo.

Fonte atmosférica

A poeira rica em ferro que sobe para a atmosfera é uma fonte primária de fertilização com ferro nos oceanos. Por exemplo, poeira soprada pelo vento do deserto do Saara fertiliza o Oceano Atlântico e a floresta amazônica . O óxido de ferro que ocorre naturalmente na poeira atmosférica reage com o cloreto de hidrogênio do spray marinho para produzir cloreto de ferro, que degrada o metano e outros gases do efeito estufa, clareia as nuvens e eventualmente cai com a chuva em baixa concentração em uma vasta área do globo. Ao contrário da implantação em navios, nenhum teste foi realizado para aumentar o nível natural de ferro atmosférico. A expansão dessa fonte atmosférica de ferro poderia complementar a implantação em navios.

Uma proposta é aumentar o nível de ferro atmosférico com aerossol de sal de ferro . O cloreto de ferro (III) adicionado à troposfera pode aumentar os efeitos naturais de resfriamento, incluindo a remoção de metano , o aumento do brilho das nuvens e a fertilização do oceano, ajudando a prevenir ou reverter o aquecimento global.

Experimentos

Martin formulou a hipótese de que o aumento da fotossíntese do fitoplâncton poderia desacelerar ou até mesmo reverter o aquecimento global pelo sequestro de CO
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no mar. Ele morreu pouco depois durante os preparativos para o Ironex I, uma prova de viagem de pesquisa de conceito, que foi realizada com sucesso perto das Ilhas Galápagos em 1993 por seus colegas do Moss Landing Marine Laboratories . Posteriormente, 12 estudos oceânicos internacionais examinaram o fenômeno:

  • Ironex II, 1995
  • SOIREE (Southern Ocean Iron Release Experiment), 1999
  • EisenEx (Iron Experiment), 2000
  • SEEDS (Subarctic Pacific Iron Experiment for Ecosystem Dynamics Study), 2001
  • SOFeX (Southern Ocean Iron Experiments - North & South), 2002
  • SERIES (Subarctic Ecosystem Response to Iron Enrichment Study), 2002
  • SEEDS-II, 2004
  • EIFEX (European Iron Fertilization Experiment), Um experimento bem-sucedido conduzido em 2004 em um redemoinho oceânico de mesoescala no Atlântico Sul resultou em um florescimento de diatomáceas , uma grande parte das quais morreu e afundou no fundo do oceano quando a fertilização terminou. Em contraste com o experimento LOHAFEX, também conduzido em um redemoinho de mesoescala, o oceano na área selecionada continha silício dissolvido o suficiente para as diatomáceas florescerem.
  • CROZEX (CROZet natural iron bloom and Export experiment), 2005
  • Um projeto piloto planejado pela Planktos , empresa norte-americana, foi cancelado em 2008 por falta de financiamento. A empresa culpou as organizações ambientais pelo fracasso.
  • LOHAFEX ( Experimento de Fertilização de Ferro Indiano e Alemão ), 2009 Apesar da oposição generalizada ao LOHAFEX, em 26 de janeiro de 2009 o Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF) deu autorização. O experimento foi realizado em águas com baixo teor de ácido silícico , nutriente essencial para o crescimento de diatomáceas. Isso afetou a eficácia do sequestro . Uma porção de 900 quilômetros quadrados (350 sq mi) do Atlântico sudoeste foi fertilizada com sulfato de ferro . Um grande florescimento de fitoplâncton foi desencadeado. Na ausência de diatomáceas, uma quantidade relativamente pequena de carbono foi sequestrada, porque outros fitoplânctons são vulneráveis ​​à predação pelo zooplâncton e não afundam rapidamente com a morte. Esses resultados ruins de sequestro levaram a sugestões de que a fertilização não é uma estratégia eficaz de mitigação de carbono em geral. No entanto, experimentos anteriores de fertilização oceânica em locais com alto teor de sílica revelaram taxas de sequestro de carbono muito mais altas devido ao crescimento de diatomáceas. O potencial de sequestro confirmado por LOHAFEX depende fortemente da localização apropriada.
  • Haida Salmon Restoration Corporation (HSRC), 2012 - financiada pela banda Old Massett Haida e administrada por Russ George - despejou 100 toneladas de sulfato de ferro no Pacífico em um redemoinho 200 milhas náuticas (370 km) a oeste das ilhas de Haida Gwaii . Isso resultou no aumento do crescimento de algas em mais de 10.000 milhas quadradas (26.000 km 2 ). Os críticos alegaram que as ações de George violaram a Convenção das Nações Unidas sobre Diversidade Biológica (CBD) e a convenção de Londres sobre o despejo de resíduos no mar que proibia tais experimentos de geoengenharia. Em 15 de julho de 2014, os dados científicos resultantes foram disponibilizados ao público.

Ciência

O resultado máximo possível da fertilização com ferro, assumindo as condições mais favoráveis ​​e desconsiderando as considerações práticas, é 0,29 W / m 2 de forçante negativa média global, compensando 1/6 dos níveis atuais de CO antropogênico
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emissões. Esses benefícios foram questionados por pesquisas que sugerem que a fertilização com ferro pode esgotar outros nutrientes essenciais na água do mar, causando redução no crescimento do fitoplâncton em outros lugares - em outras palavras, as concentrações de ferro limitam o crescimento mais localmente do que em escala global.

Papel do ferro

Cerca de 70% da superfície do mundo é coberta por oceanos. A parte onde a luz pode penetrar é habitada por algas (e outras formas de vida marinha). Em alguns oceanos, o crescimento e a reprodução das algas são limitados pela quantidade de ferro. O ferro é um micronutriente vital para o crescimento e fotossíntese do fitoplâncton, que historicamente foi entregue ao mar pelágico por tempestades de poeira de terras áridas. Essa poeira eólica contém de 3 a 5% de ferro e sua deposição caiu quase 25% nas últimas décadas.

A proporção de Redfield descreve as concentrações atômicas relativas de nutrientes críticos na biomassa do plâncton e é convencionalmente escrita "106 C: 16 N: 1 P." Isso expressa o fato de que um átomo de fósforo e 16 de nitrogênio são necessários para " fixar " 106 átomos de carbono (ou 106 moléculas de CO
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) A pesquisa expandiu esta constante para "106 C: 16 N: 1 P: 0,001 Fe", significando que em condições de deficiência de ferro cada átomo de ferro pode fixar 106.000 átomos de carbono, ou em uma base de massa, cada quilograma de ferro pode fixar 83.000 kg de dióxido de carbono. O experimento EIFEX de 2004 relatou uma proporção de exportação de dióxido de carbono para ferro de quase 3.000 para 1. A proporção atômica seria de aproximadamente: "3.000 C: 58.000 N: 3.600 P: 1 Fe".

Portanto, pequenas quantidades de ferro (medidas por partes de massa por trilhão) em zonas HNLC podem desencadear grandes florescências de fitoplâncton da ordem de 100.000 quilogramas de plâncton por quilograma de ferro. O tamanho das partículas de ferro é crítico. Partículas de 0,5-1 micrômetro ou menos parecem ser ideais tanto em termos de taxa de dissipação quanto de biodisponibilidade. Partículas tão pequenas são mais fáceis de serem incorporadas por cianobactérias e outros fitoplânctons, e a agitação das águas superficiais os mantém nas profundezas biologicamente ativas eufóticas ou iluminadas pelo sol sem afundar por longos períodos.

A deposição atmosférica é uma importante fonte de ferro. Imagens e dados de satélite (como PODLER, MODIS, MSIR) combinados com análises de trajetória traseira identificaram fontes naturais de poeira contendo ferro. As poeiras com ferro erodem do solo e são transportadas pelo vento. Embora a maioria das fontes de poeira esteja situada no hemisfério norte, as maiores fontes de poeira estão localizadas no norte e sul da África, América do Norte, Ásia central e Austrália.

Reações químicas heterogêneas na atmosfera modificam a especiação do ferro na poeira e podem afetar a biodisponibilidade do ferro depositado. A forma solúvel do ferro é muito maior em aerossóis do que no solo (~ 0,5%). Várias interações fotoquímicas com ácidos orgânicos dissolvidos aumentam a solubilidade do ferro em aerossóis. Entre estes, a redução fotoquímica de Fe (III) ligado a oxalato de minerais contendo ferro é importante. O ligante orgânico forma um complexo de superfície com o centro metálico Fe (III) de um mineral contendo ferro (como hematita ou goethita ). Na exposição à radiação solar, o complexo é convertido em um estado de energia excitado no qual o ligante, atuando como ponte e um doador de elétrons , fornece um elétron para o Fe (III), produzindo Fe (II) solúvel. Consistente com isso, estudos documentaram uma variação diurna distinta nas concentrações de Fe (II) e Fe (III) em que as concentrações diurnas de Fe (II) excedem as de Fe (III).

Cinza vulcânica como fonte de ferro

As cinzas vulcânicas têm um papel significativo no fornecimento de ferro aos oceanos do mundo. A cinza vulcânica é composta de cacos de vidro, minerais pirogênicos, partículas líticas e outras formas de cinza que liberam nutrientes em taxas diferentes dependendo da estrutura e do tipo de reação causada pelo contato com a água.

Aumentos de opala biogênica no registro de sedimentos estão associados ao aumento do acúmulo de ferro nos últimos milhões de anos. Em agosto de 2008, uma erupção nas Ilhas Aleutas depositou cinzas no Nordeste do Pacífico, com limitação de nutrientes. Essa deposição de cinzas e ferro resultou em uma das maiores florações de fitoplâncton observadas no subártico.

Sequestro de carbono

Troca ar-mar de CO
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Casos anteriores de sequestro biológico de carbono desencadearam grandes mudanças climáticas, reduzindo a temperatura do planeta, como o evento Azolla . Plâncton que gera esqueletos de carbonato de cálcio ou silício , como diatomáceas , coccolitóforos e foraminíferos , são responsáveis ​​pelo sequestro mais direto. Quando esses organismos morrem, seus esqueletos carbonáticos afundam com relativa rapidez e formam o principal componente da precipitação marinha profunda, rica em carbono, conhecida como neve marinha . A neve marinha também inclui pelotas fecais de peixes e outros detritos orgânicos e cai continuamente milhares de metros abaixo do florescimento de plâncton ativo.

Da biomassa rica em carbono gerada pela proliferação de plâncton, metade (ou mais) é geralmente consumida por organismos que pastam ( zooplâncton , krill , pequenos peixes, etc.), mas 20 a 30% afunda abaixo de 200 metros (660 pés) na água mais fria estratos abaixo da termoclina . Muito desse carbono fixo continua no abismo, mas uma porcentagem substancial é redissolvida e remineralizada. Nessa profundidade, no entanto, esse carbono agora está suspenso em correntes profundas e efetivamente isolado da atmosfera por séculos. (O tempo de ciclagem da superfície até o bentônico para o oceano é de aproximadamente 4.000 anos.)

Análise e quantificação

A avaliação dos efeitos biológicos e a verificação da quantidade de carbono realmente sequestrado por qualquer florescimento em particular envolve uma variedade de medições, combinando amostragem embarcada e remota, armadilhas de filtração submarina, espectroscopia de bóia de rastreamento e telemetria de satélite . Correntes oceânicas imprevisíveis podem remover manchas de ferro experimentais da zona pelágica, invalidando o experimento.

O potencial da fertilização para combater o aquecimento global é ilustrado pelas seguintes figuras. Se o fitoplâncton convertesse todo o nitrato e fosfato presente na camada mista de superfície em toda a corrente circumpolar da Antártica em carbono orgânico , o déficit de dióxido de carbono resultante poderia ser compensado pela absorção da atmosfera de cerca de 0,8 a 1,4 gigatoneladas de carbono por ano. Esta quantidade é comparável em magnitude à combustão anual de combustíveis fósseis antropogênicos de aproximadamente 6 gigatoneladas. A região da corrente circumpolar da Antártica é uma das várias nas quais a fertilização com ferro pode ser conduzida - a área das ilhas Galápagos é outro local potencialmente adequado.

Sulfeto de dimetila e nuvens

Diagrama esquemático da hipótese CLAW (Charlson et al. , 1987)

Algumas espécies de plâncton produzem dimetilsulfeto (DMS), uma porção do qual entra na atmosfera onde é oxidado por radicais hidroxila (OH), cloro atômico (Cl) e monóxido de bromo (BrO) para formar partículas de sulfato e potencialmente aumentar a cobertura de nuvens . Isso pode aumentar o albedo do planeta e, assim, causar resfriamento - este mecanismo proposto é central para a hipótese CLAW . Este é um dos exemplos usados ​​por James Lovelock para ilustrar sua hipótese de Gaia .

Durante a SOFeX, as concentrações de DMS aumentaram por um fator de quatro dentro do patch fertilizado. A fertilização em larga escala com ferro do Oceano Antártico pode levar a um resfriamento significativo desencadeado por enxofre, além daquele devido ao CO
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absorção e isso devido ao aumento do albedo do oceano, porém a quantidade de resfriamento por esse efeito particular é muito incerta.

Oportunidades financeiras

Começando com o Protocolo de Kyoto , vários países e a União Europeia estabeleceram mercados de compensação de carbono que comercializam créditos certificados de redução de emissões (RCEs) e outros tipos de instrumentos de crédito de carbono. Em 2007, as RCEs foram vendidas por aproximadamente € 15-20 / ton COe
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. A fertilização com ferro é relativamente barata em comparação com a depuração , injeção direta e outras abordagens industriais, e pode, teoricamente, sequestrar por menos de € 5 / ton CO
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, criando um retorno substancial. Em agosto de 2010, a Rússia estabeleceu um preço mínimo de € 10 / tonelada para compensações para reduzir a incerteza para os fornecedores de compensações. Os cientistas relataram um declínio de 6–12% na produção global de plâncton desde 1980. Um programa de restauração de plâncton em escala real poderia regenerar aproximadamente 3–5 bilhões de toneladas de capacidade de sequestro no valor de € 50-100 bilhões em valor de compensação de carbono . No entanto, um estudo de 2013 indica que o custo versus benefícios da fertilização com ferro a coloca por trás da captura e armazenamento de carbono e dos impostos sobre o carbono.

Definições de sequestro

O carbono não é considerado "sequestrado", a menos que se fixe no fundo do oceano, onde pode permanecer por milhões de anos. A maior parte do carbono que afunda sob a proliferação de plâncton é dissolvido e remineralizado bem acima do fundo do mar e, eventualmente (dias a séculos) retorna à atmosfera, anulando o benefício original.

Os defensores argumentam que os cientistas modernos do clima e os formuladores de políticas do Protocolo de Kyoto definem o sequestro em prazos muito mais curtos. Por exemplo, árvores e pastagens são vistas como importantes sumidouros de carbono . A biomassa florestal sequestra carbono por décadas, mas o carbono que afunda abaixo da termoclina marinha (100–200 metros) é removido da atmosfera por centenas de anos, seja remineralizado ou não. Como as correntes oceânicas profundas demoram muito para ressurgir, seu conteúdo de carbono é efetivamente sequestrado pelo critério em uso hoje.

Debate

Embora a fertilização dos oceanos com ferro possa representar um meio potente de desacelerar o aquecimento global, o debate atual levanta uma variedade de preocupações.

Princípio da precaução

O princípio da precaução (PP) estabelece que, se uma ação ou política tiver um risco suspeito de causar dano, na ausência de consenso científico , o ônus da prova de que não é prejudicial recai sobre aqueles que a executariam. Os efeitos colaterais da fertilização com ferro em larga escala ainda não foram quantificados. Criar florações de fitoplâncton em áreas pobres em ferro é como regar o deserto: na verdade, muda um tipo de ecossistema em outro. O argumento pode ser aplicado ao inverso, considerando as emissões como a ação e a remediação uma tentativa de compensar parcialmente o dano.

Os defensores da fertilização respondem que a proliferação de algas ocorre naturalmente há milhões de anos, sem efeitos nocivos observados. O evento Azolla ocorreu há cerca de 49 milhões de anos e realizou o que a fertilização pretende alcançar (mas em uma escala maior).

Declínio do fitoplâncton do século 20

Embora os defensores argumentem que a adição de ferro ajudaria a reverter um suposto declínio do fitoplâncton, esse declínio pode não ser real. Um estudo relatou um declínio na produtividade do oceano comparando os períodos 1979-1986 e 1997-2000, mas dois outros encontraram aumentos no fitoplâncton. Um estudo de 2010 da transparência oceânica desde 1899 e medições in situ da clorofila concluiu que as medianas do fitoplâncton oceânico diminuíram cerca de 1% ao ano ao longo desse século.

Questões ecológicas

Flores de algas

Uma "maré vermelha" na costa de La Jolla, San Diego, Califórnia .

Os críticos estão preocupados com o fato de que a fertilização criará proliferações de algas prejudiciais (HAB). As espécies que respondem mais fortemente à fertilização variam conforme a localização e outros fatores e podem incluir espécies que causam marés vermelhas e outros fenômenos tóxicos. Esses fatores afetam apenas as águas próximas à costa, embora mostrem que o aumento das populações de fitoplâncton não é universalmente benigno.

A maioria das espécies de fitoplâncton são inofensivas ou benéficas, visto que constituem a base da cadeia alimentar marinha. A fertilização aumenta o fitoplâncton apenas nos oceanos abertos (longe da costa), onde a deficiência de ferro é substancial. A maioria das águas costeiras está repleta de ferro e adicionar mais não tem nenhum efeito útil.

Um estudo de 2010 sobre fertilização com ferro em um ambiente oceânico com alto teor de nitrato e baixa clorofila, no entanto, descobriu que Pseudo-nitzschia diatom spp. Fertilizados , que geralmente não são tóxicos em oceano aberto, começou a produzir níveis tóxicos de ácido domóico . Mesmo flores de curta duração contendo tais toxinas podem ter efeitos prejudiciais nas cadeias alimentares marinhas.

Efeitos do ecossistema

Dependendo da composição e do tempo de entrega, as infusões de ferro podem favorecer preferencialmente certas espécies e alterar os ecossistemas de superfície para um efeito desconhecido. As explosões populacionais de águas-vivas , que perturbam a cadeia alimentar afetando as populações de baleias ou a pesca, são improváveis, pois os experimentos de fertilização com ferro são conduzidos em águas com alto teor de nutrientes e baixa clorofila que favorecem o crescimento de diatomáceas maiores sobre pequenos flagelados. Foi demonstrado que isso leva a uma maior abundância de peixes e baleias em relação às águas-vivas. Um estudo de 2010 mostrou que o enriquecimento de ferro estimula a produção de diatomáceas tóxicas em áreas com alto teor de nitrato e baixa clorofila, o que, argumentam os autores, levanta "sérias preocupações sobre o benefício líquido e a sustentabilidade das fertilizações com ferro em grande escala". O nitrogênio liberado pelos cetáceos e o quelato de ferro são um benefício significativo para a cadeia alimentar marinha , além de sequestrar carbono por longos períodos de tempo.

acidificação do oceano

Um estudo de 2009 testou o potencial da fertilização com ferro para reduzir o CO 2 atmosférico e a acidez oceânica usando um modelo global de carbono oceânico. O estudo mostrou que um regime otimizado de introdução de micronutrientes reduziria o aumento previsto de CO 2 atmosférico em mais de 20 por cento. Infelizmente, o impacto na acidificação dos oceanos seria dividido, com uma diminuição na acidificação nas águas superficiais, mas um aumento na acidificação nas profundezas do oceano.

Veja também

Referências

Mudando os processos do oceano

Ferro micronutriente e produtividade do oceano

Seqüestro de carbono da biomassa do oceano

Modelagem do ciclo de carbono do oceano

Leitura adicional

Secretariado da Convenção sobre Diversidade Biológica (2009). Síntese científica dos impactos da fertilização oceânica na biodiversidade marinha. Montreal, Technical Series No. 45, 53 páginas

Técnica

Contexto

Debate