Микроскопическая морская жизнь играет фундаментальную роль в здоровье океана и, в конечном счете, планеты. Как и растения на суше, крошечный фитопланктон использует фотосинтез для поглощения углекислого газа и преобразования его в органическое вещество и кислород. Это биологическое преобразование известно как первичная морская продуктивность.
В новом исследовании, проведенном сегодня в журнале Nature Geoscience, старший научный сотрудник MBARI Кен Джонсон и бывший научный сотрудник MBARI Мариана Биф продемонстрировали, как флот роботизированных поплавков может революционизировать наше понимание первичной продуктивности океана в глобальном масштабе.
Данные, собранные этими поплавками, позволят ученым более точно оценить, как углерод переходит из атмосферы в океан, и прольют новый свет на глобальный углеродный цикл. Изменения в продуктивности фитопланктона могут иметь серьезные последствия, например влиять на способность океана накапливать углерод и изменять пищевые сети океана. Перед лицом меняющегося климата необходимо понимать роль океана в удалении углерода из атмосферы и его хранении в течение длительного периода времени.
"Основываясь на несовершенных компьютерных моделях, мы предсказали, что первичная продукция морского фитопланктона уменьшится в более теплом океане, но у нас не было возможности провести глобальные измерения для проверки моделей. Теперь у нас есть, ", сказал старший научный сотрудник MBARI Кен Джонсон.
Преобразуя углекислый газ в органическое вещество, фитопланктон не только поддерживает океанические пищевые сети, но и является первым шагом в биологическом углеродном насосе океана.
Фитопланктон потребляет углекислый газ из атмосферы и использует его для построения своих тел. Морские организмы поедают этот фитопланктон, умирают, а затем погружаются на морское дно. Этот органический углерод постепенно превращается бактериями в углекислый газ. Поскольку многое из этого происходит на больших глубинах, углерод удерживается вдали от атмосферы в течение длительных периодов времени. Этот процесс улавливает углерод в глубоководных водных массах и отложениях и является важнейшим компонентом моделирования климата Земли сейчас и в будущем.
Первичная продуктивность моря колеблется в ответ на изменения в нашей климатической системе. «Мы можем ожидать, что глобальная первичная продуктивность изменится с потеплением климата», - пояснил Джонсон. «В некоторых местах он может вырасти, в других - упасть, но мы не знаем, как они будут сбалансированы». Мониторинг первичной продуктивности имеет решающее значение для понимания нашего изменяющегося климата, но наблюдение за реакцией в глобальном масштабе было серьезной проблемой.
Непосредственное измерение продуктивности океана требует сбора и анализа проб. Ограниченность ресурсов и человеческих усилий делает прямые наблюдения в глобальном масштабе с сезонным и годовым разрешением сложными и непомерно дорогостоящими. Вместо этого дистанционное зондирование с помощью спутников или компьютерные модели циркуляции обеспечивают необходимое пространственное и временное разрешение. «Спутники можно использовать для создания глобальных карт первичной продуктивности, но значения основаны на моделях и не являются прямыми измерениями», - предупредил Джонсон.
«По оценкам ученых, около половины первичной продуктивности Земли происходит в океане, но редкость измерений пока не может дать нам надежную глобальную оценку океана», - добавила Мариана Биф, океанолог-биогеохимик и бывший постдокторант. сотрудник MBARI. Теперь у ученых появилась новая альтернатива для изучения продуктивности океана - тысячи автономных роботов, дрейфующих по океану.
Эти роботы дают ученым представление о первичной продуктивности морской среды в зависимости от площади, глубины и времени. Они кардинально меняют нашу способность оценивать, сколько углерода каждый год накапливается в мировом океане. Например, Индийский океан и середина южной части Тихого океана - районы, где у ученых очень мало сведений о первичной продуктивности. Но ситуация изменилась с появлением буев Biogeochemical-Argo (BGC-Argo) по всему миру.
«Эта работа представляет собой важную веху в сборе данных об океане», - подчеркнул Биф. «Это демонстрирует, сколько данных мы можем собрать из океана, фактически не заходя туда».
Поплавки для профилирования BGC-Argo измеряют температуру, соленость, кислород, pH, хлорофилл и питательные вещества. Когда ученые впервые запускают поплавок BGC-Argo, он погружается на глубину 1000 метров (3300 футов) и дрейфует на этой глубине. Затем его автономное программирование начинает работу по профилированию водяного столба. Поплавок опускается на 2 000 метров (6 600 футов), затем всплывает на поверхность. Оказавшись на поверхности, поплавок связывается со спутником, чтобы отправить свои данные ученым на берегу. Затем этот цикл повторяется каждые 10 дней.
За последнее десятилетие увеличивающийся парк буев BGC-Argo проводил измерения в мировом океане. Поплавки фиксируют тысячи профилей каждый год. Этот кладезь данных предоставил Джонсону и Бифу разрозненные измерения содержания кислорода с течением времени.
Знание модели производства кислорода позволило Джонсону и Бифу рассчитать чистую первичную продуктивность в глобальном масштабе.
Во время фотосинтеза фитопланктон потребляет углекислый газ и выделяет кислород в определенном соотношении. Измеряя, сколько кислорода выделяется фитопланктоном с течением времени, исследователи могут оценить, сколько углерода производит фитопланктон и сколько углекислого газа он потребляет. «Кислород повышается днем из-за фотосинтеза, ночью снижается из-за дыхания - если вы можете получить дневной цикл кислорода, у вас есть измерение первичной продуктивности», - объяснил Джонсон. Хотя это хорошо известная закономерность, эта работа представляет собой первый случай, когда она была количественно измерена с помощью инструментов в глобальном масштабе, а не оценена с помощью моделирования и других инструментов.
Но профилирующие поплавки отбирают пробы только один раз в 10 дней, а Джонсону и Бифу требовалось несколько измерений в один день, чтобы получить дневной цикл. Новый подход к анализу данных с поплавков позволил Джонсону и Бифу рассчитать первичную продуктивность океана. Поскольку каждый поплавок для профилирования поднимался в разное время суток, объединение данных с 300 поплавков и проб в разное время суток позволило Джонсону и Бифу воссоздать ежедневный цикл повышения и понижения уровня кислорода, а затем рассчитать первичную продуктивность.
Чтобы подтвердить точность первичных оценок продуктивности, рассчитанных с помощью буев BGC-Argo, Джонсон и Биф сравнили данные своих буев с данными судовых выборок в двух регионах - на Гавайской станции океанических временных рядов (HOT) и Бермудская атлантическая станция временных рядов (BATS). Данные, полученные с буев для профилирования вблизи этих регионов, дали такие же результаты, как и ежемесячный отбор проб с судов в этих двух местах на протяжении многих лет.
Джонсон и Биф обнаружили, что фитопланктон производит около 53 петаграммов углерода в год. Это измерение было близко к 52 петаграммам углерода в год, оцененным самыми последними компьютерными моделями. (Один петаграмм равен 1 000 000 000 000 килограммов, или одной гигатонне, и примерно равен весу 200 миллионов слонов.) Это исследование подтвердило последние биогеохимические модели и показало, насколько надежными они стали.
Данные с высоким разрешением, полученные с буев BGC-Argo, могут помочь ученым лучше откалибровать компьютерные модели для имитации продуктивности и убедиться, что они отражают реальные условия океана. Эти новые данные позволят ученым лучше прогнозировать, как первичная продуктивность морской среды будет реагировать на изменения в океане, путем моделирования различных сценариев, таких как повышение температуры, сдвиги в росте фитопланктона, закисление океана и изменения в составе питательных веществ. Джонсон и Биф ожидают, что по мере развертывания большего количества поплавков результаты их исследования могут быть обновлены, что снизит неопределенность.
«Мы пока не можем сказать, есть ли изменения в первичной продуктивности океана, потому что наши временные ряды слишком короткие», - предупредил Биф.«Но он устанавливает текущую базовую линию, на основе которой мы можем обнаружить будущие изменения. Мы надеемся, что наши оценки будут включены в модели, в том числе используемые для спутников, для улучшения их характеристик».
Но уже сейчас множество данных, полученных с этих буев, оказались неоценимыми для улучшения нашего понимания первичной продуктивности морской среды и того, как климат Земли связан с океаном.
Буи BGC-Argo сыграли важную роль в проекте по наблюдению и моделированию углерода и климата в Южном океане (SOCCOM), спонсируемой NSF программе, направленной на раскрытие тайн Южного океана и определение его влияния на климат. А в прошлом году состоялся дебют проекта Global Ocean Biogeochemistry Array (GO-BGC Array), который позволит ученым исследовать фундаментальные вопросы об океанских экосистемах, наблюдать за здоровьем и продуктивностью экосистем, а также отслеживать циклы элементов углерода, кислорода и азота. в океане в любое время года.
Информация, собранная в рамках этих совместных глобальных инициатив, предоставляет данные, необходимые для улучшения компьютерных моделей океанского рыболовства и климата, а также для мониторинга и прогнозирования воздействия потепления и закисления океана на морскую жизнь.