Изменение климата вызывает значительные изменения в фитопланктоне в Мировом океане, и новое исследование Массачусетского технологического института показывает, что в ближайшие десятилетия эти изменения повлияют на цвет океана, усиливая его синие и зеленые области. Спутники должны обнаруживать эти изменения в оттенках, обеспечивая раннее предупреждение о крупномасштабных изменениях в морских экосистемах.
В своей статье в Nature Communications исследователи сообщают, что они разработали глобальную модель, которая имитирует рост и взаимодействие различных видов фитопланктона или водорослей, а также то, как изменится состав видов в различных местах по мере повышения температуры вокруг Мир. Исследователи также смоделировали, как фитопланктон поглощает и отражает свет, и как меняется цвет океана, когда глобальное потепление влияет на состав сообществ фитопланктона.
Исследователи прогнали модель до конца 21 века и обнаружили, что к 2100 году более 50 процентов мирового океана изменит цвет из-за изменения климата.
Исследование предполагает, что синие регионы, такие как субтропики, станут еще более синими, отражая еще меньше фитопланктона и жизни в целом в этих водах по сравнению с сегодняшним днем. Некоторые регионы, которые сегодня более зеленые, например, вблизи полюсов, могут стать еще более зелеными, поскольку более высокие температуры вызывают более крупные цветения более разнообразного фитопланктона.
«Модель предполагает, что изменения не будут казаться огромными невооруженным глазом, и океан по-прежнему будет выглядеть так, будто в нем есть голубые области в субтропиках и более зеленые области вблизи экватора и полюсов», - говорит ведущий автор Стефани Дуткевич., главный научный сотрудник Департамента наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института и Объединенной программы по науке и политике глобальных изменений. «Этот базовый образец все еще будет существовать. Но он будет достаточно другим, чтобы повлиять на остальную часть пищевой сети, которую поддерживает фитопланктон».
Соавторы Дуткевича включают Оливера Джана из Массачусетского технологического института, Анну Хикман из Университета Саутгемптона, Стефани Хенсон из Национального океанографического центра Саутгемптона, Клоди Болье из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Эрвана Монье из Университета Саутгемптона. Калифорния в Дэвисе.
Подсчет хлорофилла
Цвет океана зависит от того, как солнечный свет взаимодействует с тем, что находится в воде. Сами по себе молекулы воды поглощают почти весь солнечный свет, за исключением синей части спектра, которая отражается обратно. Следовательно, относительно бесплодные районы открытого океана из космоса выглядят темно-синими. Если в океане и есть какие-либо организмы, то они могут поглощать и отражать световые волны разной длины в зависимости от своих индивидуальных свойств.
Фитопланктон, например, содержит хлорофилл, пигмент, который поглощает в основном синие участки солнечного света, производя углерод для фотосинтеза, и меньше - зеленые участки. В результате больше зеленого света отражается от океана, придавая районам, богатым водорослями, зеленоватый оттенок.
С конца 1990-х годов спутники непрерывно измеряли цвет океана. Ученые использовали эти измерения для определения количества хлорофилла и, соответственно, фитопланктона в данном регионе океана. Но Дуткевич говорит, что хлорофилл не обязательно отражает чувствительный сигнал изменения климата. Любые значительные колебания хлорофилла вполне могут быть связаны с глобальным потеплением, но они также могут быть связаны с «естественной изменчивостью» - нормальными периодическими скачками уровня хлорофилла из-за естественных, связанных с погодой явлений.
«Событие Эль-Ниньо или Ла-Нинья вызовет очень большие изменения в хлорофилле, потому что это меняет количество питательных веществ, поступающих в систему», - говорит Дуткевич. «Из-за этих больших естественных изменений, которые происходят каждые несколько лет, трудно понять, меняются ли вещи из-за изменения климата, если вы просто смотрите на хлорофилл».
Моделирование океана
Вместо того, чтобы смотреть на производные оценки хлорофилла, команда задалась вопросом, смогут ли они увидеть четкий сигнал о влиянии изменения климата на фитопланктон, глядя только на спутниковые измерения отраженного света.
Группа доработала компьютерную модель, которую она использовала в прошлом для прогнозирования изменений фитопланктона при повышении температуры и закислении океана. Эта модель берет информацию о фитопланктоне, например о том, что он потребляет и как растет, и включает эту информацию в физическую модель, моделирующую океанские течения и перемешивание.
На этот раз исследователи добавили в модель новый элемент, который не был включен в другие методы моделирования океана: способность оценивать конкретные длины волн света, поглощаемого и отражаемого океаном, в зависимости от количество и тип организмов в данном регионе.
«Солнечный свет попадет в океан, и все, что находится в океане, поглотит его, как хлорофилл», - говорит Дуткевич. «Другие вещи будут поглощать или рассеивать его, как что-то с твердой оболочкой. Так что это сложный процесс, когда свет отражается от океана, чтобы придать ему свой цвет».
Когда группа сравнила результаты своей модели с фактическими измерениями отраженного света, сделанными спутниками в прошлом, они обнаружили, что они достаточно хорошо согласуются друг с другом, чтобы модель можно было использовать для прогнозирования цвета океана по мере изменения условий окружающей среды в будущее.
«Преимущество этой модели в том, что мы можем использовать ее как лабораторию, место, где мы можем экспериментировать, чтобы увидеть, как изменится наша планета», - говорит Дуткевич.
Сигнал в синих и зеленых тонах
Поскольку исследователи увеличили глобальную температуру в модели до 3 градусов Цельсия к 2100 году - то, что, по прогнозам большинства ученых, произойдет при обычном сценарии относительно отсутствия действий по сокращению выбросов парниковых газов - они обнаружили что волны света в синем/зеленом диапазоне реагируют быстрее всего.
Более того, Дуткевич заметил, что этот сине-зеленый диапазон волн показал очень четкий сигнал или сдвиг, вызванный именно изменением климата, происходящий намного раньше, чем то, что ученые ранее обнаружили, когда они смотрели на хлорофилл, который они прогнозировали. к 2055 году продемонстрирует изменение, обусловленное климатом.
«Хлорофилл меняется, но вы не можете этого увидеть из-за его невероятной естественной изменчивости», - говорит Дуткевич.«Но вы можете увидеть значительный, связанный с климатом сдвиг в некоторых из этих диапазонов волн, в сигнале, отправляемом на спутники. Вот где мы должны искать в спутниковых измерениях реальный сигнал изменения».
Согласно их модели, изменение климата уже меняет состав фитопланктона и, соответственно, цвет океанов. К концу века наша голубая планета может заметно измениться.
«К концу 21 века будет заметна разница в цвете 50 процентов океана», - говорит Дуткевич. «Потенциально это может быть довольно серьезно. Различные виды фитопланктона по-разному поглощают свет, и если изменение климата сместит одно сообщество фитопланктона в другое, это также изменит типы пищевых сетей, которые они могут поддерживать».