A physiological approach to oceanic processes and glacial-interglacial changes in atmospheric CO2

Abstract

[EN] One possible path for exploring the Earth’s far-from-equilibrium homeostasis is to assume that it results from the organisation of optimal pulsating systems, analogous to that in complex living beings. Under this premise it becomes natural to examine the Earth’s organisation using physiological-like variables. Here we identify some of these main variables for the ocean’s circulatory system: pump rate, stroke volume, carbon and nutrient arterial-venous differences, inorganic nutrients and carbon supply, and metabolic rate. The stroke volume is proportional to the water transported into the thermocline and deep oceans, and the arterial-venous differences occur between recently-upwelled deep waters and very productive high-latitudes waters, with atmospheric CO2 being an indicator of the arterial-venous inorganic carbon difference. The metabolic rate is the internal-energy flux (here expressed as flux of inorganic carbon in the upper ocean) required by the system’s machinery, i.e. community respiration. We propose that the pump rate is set externally by the annual cycle, at one beat per year per hemisphere, and that the autotrophic ocean adjusts its stroke volume and arterial-venous differences to modify the internal-energy demand, triggered by long-period astronomical insolation cycles (external-energy supply). With this perspective we may conceive that the Earth’s interglacial-glacial cycle responds to an internal organisation analogous to that occurring in living beings during an exercise-recovery cycle. We use an idealised double-state metabolic model of the upper ocean (with the inorganic carbon/nutrients supply specified through the overturning rate and the steady-state inorganic carbon/nutrients concentrations) to obtain the temporal evolution of its inorganic carbon concentration, which mimics the glacial-interglacial atmospheric CO2 pattern

[ES] Un posible camino para el estudio de la homeóstasis fuera-de-equilibrio de la tierra es suponer que resulta de la organización de sistemas pulsátiles optimizados, análoga a aquélla en seres vivos complejos. Bajo esta premisa parece natural examinar la organización de la tierra utilizando variables de tipo fisiológico. Aquí identificamos algunas de las principales variables del sistema circulatorio oceánico: tasa de bombeo del corazón, volumen de latido, diferencias arteriovenosas de carbono y nutrientes, suministro de carbono y nutrientes inorgánicos, y tasa metabólica. El volumen de latido es proporcional al transporte de agua hacia la termoclina y océano profundo, y las diferencias arterio-venosas ocurren entre las aguas profundas recientemente afloradas y aquellas altamente productivas de altas latitudes, con el CO2 atmosférico siendo un indicador de la diferencia arterio-venosa de carbono inorgánico. La tasa metabólica es el flujo de energía interna (aquí expresado como flujo de carbono inorgánico en el océano superior) requerido por la maquinaria que sostiene el sistema, i.e. respiración total de la comunidad. Se propone que la tasa de latido está impuesta externamente, un latido por año por hemisferio, y que el océano autotrófico ajusta su volumen de latido y las diferencias arteriovenosas a cambios en la demanda de energía interna, inducido por ciclos de insolación astronómica de largo período (suministro de energía externa). Bajo esta perspectiva podemos concebir que el ciclo interglacial-glacial de la tierra responde a una organización interna análoga a la que ocurre en seres vivos durante un ciclo de ejercicio-recuperación. Se utiliza un modelo metabólico idealizado de dos estados para el océano superior (con el suministro de carbono/nutrientes inorgánicos especificado mediante la tasa de recirculación de aguas profundas y las concentraciones de carbono/nutrientes inorgánicos en estado estacionario) para obtener la evolución temporal de su concentración de carbono inorgánico, la cual mimetiza el patrón glacial-interglacial del CO2 atmosférico