Когда определенные виды водорослей накапливаются на поверхности океана в больших количествах, они окрашивают большие участки воды в красновато-коричневый цвет, привлекая внимание как по хорошим, так и по плохим причинам.
У берегов Южной Калифорнии эти события, известные как «красные приливы», могут вызывать впечатляющие ночные световые шоу, освещая прибойные волны и оставляя жуткие голубые следы за прибойной рыбой. Однако в других районах, таких как Флорида и Великие озера, эти цветы могут быть токсичными, вызывая гибель рыб, отравление моллюсками и вызывая проблемы с дыханием у людей и морских млекопитающих.
Более века ученые пытались понять, что вызывает появление красных приливов в прибрежных районах, казалось бы, из ниоткуда. Используя новую технику, разработанную Океанографическим институтом Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего, ученым Джорджем Сугихарой и его коллегами, эта загадка наконец-то разгадана.
Исследовательская группа Скриппса под руководством студентов проанализировала данные об основном пигменте водорослей - хлорофилле, а также о концентрации питательных веществ и различных физических аспектах океана, собранные у пирса Скриппса, в рамках программы непрерывного наблюдения под руководством Скриппса. Почетный профессор Джон Макгоуэн, который является частью программы Scripps Shore Stations.
Когда экологические данные были введены в модели без уравнений Сугихары, известные как эмпирическое динамическое моделирование (EDM), исследователи смогли выявить закономерности в кажущейся случайности, которые можно использовать для прогнозирования красных приливов у берегов Южной Калифорнии.
Новое исследование, которое будет опубликовано в журнале Ecology и доступно в Интернете, показало, что красные приливы не являются чисто случайными. Он дает возможность предсказать вредоносное цветение водорослей, которое нельзя было предсказать с помощью традиционных методов экологического моделирования.
«Красные приливы были загадкой на протяжении стольких лет, потому что мы смотрели на экосистему так, как будто она находится в равновесии и неизменна и, следовательно, может изучаться по частям», - сказал Сугихара, заслуженный профессор кафедры McQuown. естественных наук и старший автор исследования. «Это было загадкой только потому, что мы смотрели на это неправильно. Поиск вещей, которые просто «коррелируют» с красными приливами, потерпит неудачу».
Метод EDM основан на идее, что экосистема постоянно меняется и должна изучаться как система в целом, а не как отдельные части. Целостный анализ экосистем позволил Сугихаре и его команде использовать 30-летний архив полевых данных для определения механизмов, вызывающих красные приливы.
«Даже с огромными улучшениями в« прогнозировании экосистем »за последние несколько десятилетий, это остается серьезной проблемой для ученых», - сказал Алан Тессье, заместитель директора отдела биологии окружающей среды Национального научного фонда (NSF). «Это исследование показывает, что проблема решается с помощью инновационных методов, которые дают нам информацию, например, о том, как предсказывать красные приливы. Это важно для того, чтобы знать, когда закрывать рыбные промыслы и места для купания, а также для здоровья жителей, которые живут в пострадавших водах».
«Этот подход позволил нам найти факторы, которые вместе образуют идеальный шторм, вызывающий красный прилив», - сказал Сугихара. «Эти факторы включают наличие стабильного водного столба и низкий уровень питательных веществ в поверхностных водах».
С дальнейшими улучшениями модели для включения наблюдений в реальном времени, Сугихара и его команда считают, что это цветение водорослей может быть предсказано как часть системы раннего предупреждения о будущих красных приливах.
Помимо проблем со здоровьем, это цветение водорослей вызывает эксплуатационные проблемы на электростанциях и опреснительных установках, а также создает зоны с обедненным кислородом в океане. Усовершенствованное прогнозирование красных приливов может помочь обеспечить более активное реагирование на последствия для здоровья людей и животных, направить временные остановки опреснительных установок и помочь в планировании военных учений в прибрежных водах.
«Это исследование было бы невозможно без наблюдений за фитопланктоном во времени для проверки усилий по моделированию», - сказал Дэвид Гаррисон, директор программы биологической океанографии Национального научного фонда. «Результаты важны для решения социальных проблем, таких как вредоносное цветение водорослей в прибрежных водах».