Onderzoek toont aan dat kustgrondwater rivieren en vulkanen evenaart in het beïnvloeden van oceaanchemie

Onderzoek onthult de rol van kustgrondwater in oceaanchemie

We zijn naar de bodem van de oceaan gegaan om te onderzoeken hoe de chemie ervan het klimaat van onze planeet beïnvloedt, zelfs op zoek naar onderwater-vulkanen die lava spuwen. Maar het lijkt erop dat we iets hebben gemist dat veel dichter bij huis is: het water onder onze voeten.

In een recent gepubliceerde studie in Nature Communications presenteert Dr. Yael Kiro, een geochemicus van het Weizmann Institute of Science, verrassende nieuwe inzichten in de uitwisseling van water en chemicaliën tussen de oceaan en kustaquifers, de grondwaterreserves onder kustgebieden. Haar onderzoek toont aan dat deze verborgen waterstromen een krachtige invloed kunnen hebben op de chemie van de oceaan, die mogelijk even groot kan zijn als die van rivieren en diepzeevulkanische ventilaties.

“Jarenlang vroeg ik me af of de hoeveelheid chemicaliën die tussen kustaquifers en de oceaan stroomde, was gemeten,” zegt Kiro. “Ik ging ervan uit dat iemand het al had gedaan, maar vond geen gedetailleerde studies hierover. Het kostte me jaren om de moed te verzamelen om het zelf te onderzoeken.”

Haar interesse in aquifers begon in het zoute, door de zon verbrande bekken van de Dode Zee. Als promovenda die hydrologie bestudeerde, onderzocht Kiro de sinkholes in de regio, een dramatisch fenomeen veroorzaakt door grondwater dat zoutlagen onder het aardoppervlak oplost. In tegenstelling tot de gangbare veronderstellingen bevatte de lokale aquifer niet alleen zoetwater, maar ook mineraalrijk zoutwater, wat duidde op chemische processen die het mogelijk zou kunnen activeren onder het oppervlak.

Kiro realiseerde zich dat de bevindingen van de Dode Zee licht konden werpen op processen die zich in aquifers wereldwijd voordoen, ook al zou dit een geheel andere aanpak vereisen. “Dat was het moment waarop ik begon na te denken—ik wil dit op een dag in de oceanen bestuderen,” zegt ze.

Klimaat, chemie en koolstof

De chemie van de oceaan is cruciaal voor ons begrip van het klimaat. De oceaan absorbeert enorme hoeveelheden kooldioxide uit de atmosfeer, wat helpt bij het reguleren van de mondiale temperaturen. Maar hoeveel het kan absorberen en hoe snel, hangt af van de chemie van het water.

“Wanneer we proberen te begrijpen hoe de oceaan reageert op de stijgende CO₂-niveaus die gepaard gaan met klimaatverandering, moeten we uitzoeken wat de chemische balans ervan beïnvloedt,” zegt Kiro.

Tot nu toe hebben wetenschappers zich voornamelijk gericht op rivieren als een belangrijke bron van chemicaliën die de oceaan binnenkomen. Een andere goed bestudeerde bron bevindt zich op de bodem van de zee: extreem heet, chemisch rijk water dat wordt gegenereerd door vulkanische activiteit op de oceaanbodem, waar bergketens worden gevormd door de beweging van tektonische platen. Maar kustaquifers werden zelden in deze context bestudeerd, en niemand had geprobeerd hun effect op de oceaanchemie te kwantificeren.

Om dat effect te begrijpen, had Kiro een origineel en creatief idee. Ze vergeleek twee soorten aquiferwatermonsters die door andere onderzoekers waren verzameld: monsters van diepe boorlocaties enkele honderden meters landinwaarts van de kust en monsters die dichter bij de kust waren genomen, direct onder de kustlijn zelf.

Ze ontdekte een verrassend verschil. In de monsters nabij de kust was de chemie van het aquiferwater slechts licht beïnvloed door de menging met het zeewater dat door getijden en golven in de aquifer werd geduwd—een kortetermijnproces dat maximaal een jaar duurt. Maar de dieper gelegen monsters die zeewater bevatten dat de aquifer binnendringt door verschillen in waterdichtheid—een langetermijnproces dat tientallen of zelfs honderden jaren duurt—tonen een veel sterkere zeewaterhandtekening. Kiro concludeerde dat een langzame maar constante interactie met zeewater door de sedimenten in de loop van de tijd de samenstelling van het water in de diepten van de aquifers had veranderd.

Kiro ging een stap verder en berekende de hoeveelheden chemische elementen zoals calcium, magnesium, natrium en kalium die tussen de aquifers en de oceaan stroomden. Ze bepaalde hun concentraties in verschillende regio’s en schatte die cijfers op wereldschaal. Een duidelijk patroon kwam naar voren: Bepaalde elementen stroomden consequent de oceaan in, terwijl andere uit de oceaan werden verwijderd.

Een van de elementen was calcium, dat een indirecte maar cruciale rol speelt in de koolstofcyclus van de aarde. Wanneer CO₂ in oceaanwater uiteenvalt, is een van de afbraakproducten carbonaat, dat in een reeks biochemische en geochemische reacties met calcium bindt om calciumcarbonaat te vormen—mineraal dat de schelpen van mariene organismen vormt. Wanneer deze organismen sterven, worden hun schelpen begraven op de oceaanbodem, waardoor koolstof duizenden of zelfs miljoenen jaren wordt vastgehouden. Met andere woorden, calcium beïnvloedt het vermogen van de oceaan om atmosferische CO₂ in een vaste, stabiele vorm vast te leggen, en fungeert als een van de natuurlijke klimaatregelaars van de planeet.

Kiro’s berekeningen toonden aan dat kustaquifers jaarlijks ongeveer 5 teramolen calcium aan oceaanwater bijdragen, vergeleken met ongeveer 13 teramolen van rivieren en 1,6 van zeebodemventilaties. Dat is een aanzienlijk aandeel, en het betekent dat deze aquifers een echte—en over het hoofd geziene—rol spelen in de wereldwijde koolstofcyclus.

Tegelijkertijd worden andere elementen zoals natrium en kalium uit de oceaan in de aquifers verwijderd: omdat ze de neiging hebben om in de aquifer te blijven, bevat het water dat de aquifer verlaat merkbaar minder van deze elementen dan wat erin is gegaan.

Een ontbrekend stuk van de klimaatpuzzel

Deze eerder niet gedocumenteerde processen voegen een geheel nieuwe laag toe aan ons begrip van oceaanchemie. En het wordt nog belangrijker in het licht van klimaatverandering.

Als de zeespiegel stijgt, wordt er meer zeewater in kustaquifers geduwd, wat de stroom van chemicaliën naar en van de oceaan verandert op een manier die mogelijk de koolstofvastlegging door oceaanwater kan verbeteren. Dat is het goede nieuws. Maar er is ook een keerzijde: Meer zeewater kan ook het zoetwater in de aquifers verontreinigen door het zouter te maken en onze zoetwatervoorzieningen in gevaar te brengen.

“Verzilting van aquifers kan sneller gebeuren dan huidige modellen voorspellen, wat in overweging moet worden genomen bij het beheer van kustwaterbronnen,” zegt Kiro.

Met honderden duizenden kilometers kustlijn over de hele wereld zijn de implicaties van haar studie globaal. “We hebben aangetoond dat er een heel verborgen systeem onder de kustlijn is dat we niet kenden,” zegt Kiro. “Voor wetenschappers die proberen oceaanchemie en de rol van de oceanen in de lange termijn koolstofcyclus van de planeet te begrijpen, voegt dit systeem een belangrijk ontbrekend stuk toe.”