Роботизированные поплавки позволяют по-новому взглянуть на здоровье океана и глобальный углеродный цикл

Прочитано: 457 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Оценок пока нет)
Loading ... Loading ...


Микроскопическая морская жизнь играет фундаментальную роль в здоровье океана и, в конечном итоге, планеты. Как и растения на суше, крошечный фитопланктон использует фотосинтез, чтобы потреблять углекислый газ и преобразовывать его в органическое вещество и кислород. Это биологическое преобразование известно как первичная продуктивность морской среды.

В новом исследовании , опубликованном в журнале Nature Geoscience сегодня, старший научный сотрудник MBARI Кен Джонсон и бывший научный сотрудник MBARI Мариана Биф продемонстрировали, как флот роботизированных поплавков может революционизировать наше понимание первичной продуктивности в океане в глобальном масштабе.

Данные, собранные с помощью этих буев, позволят ученым более точно оценить, как углерод перетекает из атмосферы в океан, и пролить 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 изменяющегося климата совершенно необходимо понять роль океана в удалении углерода из атмосферы и его хранении в течение длительных периодов времени.

«Основываясь на несовершенных компьютерных моделях, мы предсказали, что первичная продукция морского фитопланктона уменьшится в более теплом океане, но у нас не было способа провести измерения в глобальном масштабе для проверки моделей. Теперь мы это делаем», — 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 своего тела. Морские организмы поедают этот фитопланктон, умирают, а затем опускаются на морское дно. Этот органический углерод постепенно превращается бактериями в двуокись углерода. Поскольку многое из этого происходит на больших глубинах, углерод удерживается вдали от атмосферы в течение длительных периодов времени. Этот процесс связывает углерод в глубоководных водных массах и отложениях и является важным компонентом в моделировании климата Земли сейчас и в будущем.

Первичная продуктивность морской среды увеличивается и уменьшается в ответ на изменения в нашей климатической системе. «Мы можем ожидать, что глобальная первичная продуктивность изменится с потеплением климата», — пояснил Джонсон. «В одних местах он может расти, в других — падать, но мы плохо понимаем, как они будут уравновешиваться». Мониторинг первичной продуктивности имеет решающее значение для понимания нашего меняющегося климата, но наблюдение за реакцией в глобальном масштабе было серьезной проблемой.


Непосредственное измерение продуктивности в океане требует сбора и анализа проб. Ограниченность ресурсов и человеческих усилий делает прямые наблюдения в глобальном масштабе сложными и дорогостоящими, с разрешением от сезонного до годового. Вместо этого дистанционное зондирование с помощью спутников или компьютерные модели циркуляции предлагают 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, биогеохимический океанограф и бывший научный сотрудник MBARI. Теперь у ученых появилась новая альтернатива для изучения продуктивности океана — тысячи автономных роботов, дрейфующих по всему океану.

Эти роботы позволяют ученым получить представление о первичной продуктивности морской среды в зависимости от площади, глубины и времени. Они кардинально меняют нашу способность оценивать, сколько углерода накапливает глобальный океан каждый год. Например, Индийский океан и центральная часть южной части Тихого океана — это регионы, где у ученых очень мало информации о первичной продуктивности. Но это изменилось с развертыванием 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, не отправляясь туда».

Профилирующие поплавки BGC-Argo измеряют температуру, соленость, кислород, pH, хлорофилл и питательные вещества. Когда ученые впервые запускают поплавок BGC-Argo, он опускается на глубину 1000 метров (3300 футов) и дрейфует на этой глубине. Затем его автономное программирование приступает к работе с профилированием водяного столба. Поплавок опускается на высоту 2000 метров (6600 футов), затем поднимается 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 флот буев BGC-Argo проводит измерения в мировом океане. Каждый год поплавки собирают тысячи профилей. Эти данные предоставили Джонсону и Бифу разрозненные измерения содержания кислорода во времени.

Знание структуры 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 выделяет фитопланктон с течением времени, исследователи могут оценить, сколько углерода производит фитопланктон и сколько углекислого газа он потребляет. «Кислород повышается днем ​​из-за фотосинтеза, ночью из-за дыхания — если вы можете определить суточный цикл кислорода, у вас есть измерение первичной продуктивности», — объяснил Джонсон. Хотя это хорошо известная модель, эта работа представляет собой первый случай, когда она была количественно измерена инструментами в глобальном масштабе, а не оценена с помощью моделирования и других инструментов.

Но профилирующие поплавки отбирают образцы только один раз в 10 дней, а Джонсону и Бифу потребовалось несколько измерений за один день, чтобы получить суточный цикл. Новый подход к анализу данных о поплавках позволил Джонсону и Бифу рассчитать первичную продуктивность океана. Поскольку каждый поплавок для профилирования поднимается в разное время дня, объединение данных 300 буев и образцов за разное время дня позволило Джонсону и Бифу воссоздать суточный цикл подъема и спада кислорода, а затем рассчитать первичную продуктивность.

Чтобы подтвердить точность первичных оценок продуктивности, рассчитанных с помощью буев BGC-Argo, Джонсон и Биф сравнили свои данные с буев с данными судового отбора проб в двух регионах — станции временных рядов (HOT) Гавайских островов и Атлантическом времени на Бермудских островах. серия Станция (BATS). Данные, полученные с буев для профилирования вблизи этих регионов, дали такие же результаты, как и ежемесячный отбор проб с судов на этих двух участках в течение многих лет.

Джонсон и Биф обнаружили, что фитопланктон производит около 53 петаграмм углерода в год. Это измерение было близко к 52 петаграммам углерода в год, оцененным по последним компьютерным моделям. (Одна петаграмма составляет 1 000 000 000 000 килограммов, или одну гигатонну, и примерно соответствует весу 200 миллионов слонов.) Это исследование подтвердило недавние биогеохимические модели и подчеркнуло, насколько надежными стали эти модели.

Данные с высоким разрешением, полученные с буев BGC-Argo, могут помочь ученым лучше откалибровать компьютерные модели для моделирования производительности и обеспечения того, чтобы они отражали реальные условия океана. Эти новые данные позволят ученым лучше предсказать, как первичная продуктивность морской среды будет реагировать на изменения в океане, моделируя различные сценарии, такие как повышение температуры, сдвиги в росте фитопланктона, закисление океана и изменения в питательных веществах. По мере развертывания новых буев, Джонсон и Биф ожидают, что результаты их исследования могут быть обновлены, что снизит неопределенность.

«Мы пока не можем сказать, изменилась ли первичная продуктивность океана, потому что наши временные ряды слишком короткие», — предупредил Биф. «Но он устанавливает текущую базовую линию, по 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 объем данных, полученных с этих буев, оказался неоценимым 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 Южного океана (SOCCOM), спонсируемой NSF программе, направленной на раскрытие тайн Южного океана и определение его влияния на климат. А в прошлом году был отмечен дебют проекта Global Ocean Biogeochemistry Array (GO-BGC Array), который позволит ученым решать фундаментальные вопросы об экосистемах океана, наблюдать за состоянием и продуктивностью экосистем , а также отслеживать элементарные циклы углерода, кислорода и азота. в океане в любое время года.

Информация, собранная в рамках этих совместных глобальных инициатив, обеспечивает данные, необходимые для улучшения компьютерных моделей океанического рыболовства и климата, а также для мониторинга и прогнозирования воздействия потепления и закисления океана на морскую жизнь.

Роботизированные поплавки позволяют по-новому взглянуть на здоровье океана и глобальный углеродный цикл



Новости партнеров

Загрузка...