Поверхность Марса - не единственная инопланетная среда, которую исследуют ученые с помощью верных роботов-исследователей. В течение многих лет модули спускаемых аппаратов, разработанные ученым из Университета Южной Калифорнии Уильямом Берельсоном и построенные в цехах USC, собирали данные со дна гаваней, морей и океанов по всей земле.
Доктор. Берельсон, адъюнкт-профессор наук о Земле в Колледже литературы, искусств и наук Университета Южной Калифорнии, сейчас размышляет над двойной загадкой, поставленной его последними подводными исследовательскими миссиями, обе из которых имеют значительные последствия для людей:
Почему дно гавани Лос-Анджелеса перерабатывает азот сточных вод с эффективностью, составляющей лишь часть эффективности морского дна у Мельбурна, Австралия, которое в остальном очень похоже по измеримым характеристикам? (Ответ на этот вопрос может помочь очистить гавань Лос-Анджелеса, а также защитить австралийские воды.)
Почему примерно 3 500 лет назад глубинные воды Тихого океана внезапно стали значительно более кислыми? (Ответ может быть связан с углеродными циклами, связанными с глобальным потеплением.)
Берельсон начал проектировать свои подводные посадочные модули, технически называемые «бентические потоковые камеры» («бентический» означает «среда океанского дна» или относится к ней), в 1981 году. Он впервые успешно развернул посадочный модуль в 1983 году, в океан у Лос-Анджелеса. С тех пор технические специалисты USC построили много других. Все посадочные модули спроектированы так, чтобы опускаться на дно океана и образовывать затвор, удерживая объем океанской воды в контакте с небольшим участком - чуть меньше квадратного ярда - подводного грунта.
Устройства содержат инструменты для биохимического исследования на месте того, как почва и сложное сообщество животных, растений и микроорганизмов, живущих в этой почве, перерабатывают различные важные элементы и минералы. Они также могут вводить отмеренные количества известных веществ в закрытую зону, чтобы изучить, что происходит с ними на морском дне.
Хорошим примером анализа, который могут предоставить посадочные аппараты Берельсона, является недавнее исследование, проведенное ученым в заливе Порт-Филлип, Австралия, недалеко от города Мельбурн.
Человеческая деятельность на суше посылает соединение азота аммиак (NH3) в морские воды во многих формах - очищенные сточные воды, сельскохозяйственные и ландшафтные стоки, содержащие удобрения, и другие. Такой отработанный азот может привести к густому цветению водорослей с неприятным запахом и другим нежелательным последствиям в воде.
Океанское дно может играть важную роль в круговороте азота в океане, потому что сообщество микроорганизмов, живущих там, может - по крайней мере, в некоторых местах - превращать аммиак и другие соединения азота в безвредный для окружающей среды газообразный азот.
Но Берельсон обнаружил, что дно океанов сильно различается по своей способности преобразовывать соединения азота. Морское дно залива Порт-Филлип было чрезвычайно эффективным для проведения этого преобразования. Во многих бухтах, проверенных спускаемыми аппаратами, весь или почти весь аммиак, попавший в донные отложения, подвергался повторному использованию.
Берельсон может сказать, что бентические реакции в заливе Порт-Филлип необычайно эффективны, потому что он измерил такую же реакцию в других районах, включая Адриатическое море, залив Сан-Франциско и гавань Лос-Анджелеса.
В гавани Лос-Анджелеса измерения спускаемого аппарата показали гораздо более низкую эффективность. Вместо 80-100% аммиака, попадающего на морское дно, перерабатывается, как мы обнаружили в заливе Порт-Филлип, мы обнаружили от нуля до 40%. перерабатываются в гавани Лос-Анджелеса», - объясняет Берельсон.
Берельсон говорит, что огромная разница загадочна, потому что в остальном эти две области очень похожи. Морское дно в обоих местах получает примерно одинаковое количество углерода в виде «дождя» из мертвых растений и животных. Популяции морских животных, «орошающих» морское дно, сходны. Размер и тип отложений одинаковы. То же самое относится и к температуре воды, ее солености и количеству растворенного кислорода на морском дне.
Залив Порт-Филлип занимает гораздо большую территорию, чем гавань Лос-Анджелеса, и было обнаружено, что части залива, подвергающиеся наибольшему загрязнению, обладают наименьшей способностью перерабатывать азотные отходы. «Это открытие все еще оставляет вопрос о том, что является причиной разницы», - говорит Берелсон. «Если бы мы знали это, мы могли бы улучшить условия как в гавани Лос-Анджелеса, так и в заливе Порт-Филлип».
Исследование Берельсона в заливе Порт-Филлип было частью исследования, финансируемого властями Австралии. Отчет, основанный на его исследованиях, находится на рассмотрении в журнале Estuarine, Coastal and Shelf Science Journal.
Берельсон раскрыл еще одну загадку подводной лодки в глубоких водах центральной части Тихого океана. В недавно завершенном исследовании, которое будет опубликовано в следующем выпуске журнала Deep Sea Research, Берельсон и группа его сотрудников изучили судьбу элемента углерода на дне океана.
Углерод падает на дно в различных формах. Большая часть поступает в виде органического материала, в виде мягких тканей в мертвых телах растений, животных и микроорганизмов, а также в виде карбоната кальция, известкового материала в костях животных и раковинах моллюсков. Карбонат кальция, также известный как кальцит, медленно растворяется в водах глубокого океана, «как таблетка Алка-Зельтцера в стакане воды», как выразился Берельсон..
Но во многих местах на дне океана кальцит накапливается, потому что скорость «дождя» новых частиц выше, чем скорость растворения старых частиц.
В ходе серии измерений, основанных на данных спускаемого аппарата, Берельсон и его команда установили, что в недавние геологические времена, начиная с 3 000-4 000 лет назад, скорость накопления резко замедлилась.
Используя сложные измерения следовых уровней радиоизотопов в донных отложениях, группа установила, что замедление произошло не из-за меньшего количества новых частиц кальцита, выпадающих дождем: это количество оставалось постоянным в течение, по крайней мере, последних 10 000 лет или так.
Другой анализ исключил другое возможное объяснение: замедление произошло из-за увеличения количества органического, некарбонатного углерода в мягких тканях, падающего дождем частиц сверху, и что большее количество углерода ускорить растворение кальцита.
Исключение этих двух возможностей означало, что состав самой придонной воды заметно изменился около 3 500 лет назад, став значительно более кислой и, следовательно, способной лучше растворять кальцит.
Берельсон сейчас ищет объяснение того, что может объяснить такое изменение. Эта дата, за 3 500 лет до настоящего времени, не связана с какими-либо очевидными геологическими изменениями, такими как конец ледникового периода. Возможные варианты включают замедление транспортного механизма, который циркулирует глубоководными водами по всему миру, или какой-то стимул, который мог привести к значительному увеличению производства органического углерода где-то еще в мире, «выше по течению» от экваториальной зоны изучения Тихого океана. Но почему то или иное изменение могло внезапно произойти 3500 лет назад, остается загадкой.
Ответ может оказаться важным. Знание того, как могло произойти такое крупномасштабное изменение в метаболизме ключевого элемента углерода в океане, может помочь нам понять, как значительно возросшее в последнее время количество углерода в виде ископаемого топлива повлияет на воздух и океаны..
В команду Берельсона по экспериментам с углеродом входили исследователи из Земной обсерватории Ламонт-Доэрти, Университета штата Орегон, Университета штата Северная Каролина, Океанографического института Вудс-Хоул, Гавайского университета, Университета Род-Айленда и Университета штата Нью-Йорк. Майами (Флорида). Национальный научный фонд финансировал исследование.
Берельсон считает, что его посадочные модули предоставят больше подсказок и поставят больше загадок. «Меня восхищает использование роботизированного оборудования для изучения биогеохимии морского дна. Результаты говорят нам не только о том, как работает океан сегодня, но и о том, как океан и климат планеты вели себя в прошлом."
Берельсон, участник Института экологических исследований Ригли Университета Южной Калифорнии, играет ведущую роль в разработке программы института по прибрежной океанографии.
EM. BERELSON. ME-USC-AUG. 18, 1997
РЕДАКТОР: Доктор Берелсон живет в Лос-Анджелесе (90036). Для получения дополнительной информации позвоните ему по телефону (213) 740-5828 или отправьте электронное письмо по адресу [email protected] u.