Volg koolstof vanaf die seeoppervlak tot die donker "skemersone"
Verskillende fitoplanktongemeenskappe blom rondom die Kanadese Maritieme Provinsies en oor die noordwestelike Atlantiese Oseaan. Krediet: NASA/Aqua/MODIS saamgestelde versameling op 22 Maart 2021
'n Seewaartse reis, ondersteun deur albei NASA en die Nasionale Wetenskapstigting, het vroeg in Mei in die noordelike Atlantiese Oseaan vaar—die opvolger van 'n aanvullende ekspedisie, mede-befonds deur NSF, wat in 2018 in die noordelike Stille Oseaan plaasgevind het.
Die 2021-ontplooiing van NASA se oseanografiese veldtog, genaamd Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS), bestaan uit 150 wetenskaplikes en bemanning van meer as 30 regerings-, universiteits- en private nie-regeringsinstellings. Die span is oor drie oseanografiese navorsingsvaartuie versprei, wat in internasionale waters wes van Ierland oor die onderwater Porcupine Abyssal-vlakte sal vergader. Gedurende die veldtog sal wetenskaplikes 'n verskeidenheid instrumente van aan boord van die drie skepe ontplooi: die RRS James Cook en die RRS Discovery, wat deur die National Oceanography Centre in Southampton, VK bedryf word, plus 'n derde vaartuig wat deur die Ocean Twilight Zone-projek gehuur is. van die Woods Hole Oceanographic Institution en bedryf deur die Mariene Tegnologie-eenheid in Vigo, Spanje. Altesaam 52 hoëtegnologie-platforms, insluitend verskeie outonome voertuie, sal metings neem en voortdurend data insamel.
Diverse plankton uit oppervlakwater wat onder 'n mikroskoop gesien word. Dit is so gekonsentreerd dat jy nie hoef te zoem om te identifiseer nie. Krediet: Laura Holland/ Universiteit van Rhode Island
Baie van die wetenskap fokus op die oseaan se rol in die globale koolstofsiklus. Deur chemiese en biologiese prosesse verwyder die oseaan soveel koolstof uit die atmosfeer as alle plantlewe op land. Wetenskaplikes hoop om die meganismes van die oseaan se biologiese pomp verder te verken - die proses waardeur koolstof uit die atmosfeer en oppervlak-oseaan langtermyn in die diepsee gesekwestreer word. Hierdie proses behels mikroskopiese plantagtige organismes wat fitoplankton genoem word, wat net soos plante op land fotosintese ondergaan en vanuit die ruimte gesien kan word deur veranderinge in die kleur van die see waar te neem. Hul produktiwiteit het 'n beduidende impak op die aarde se koolstofsiklus, wat dan weer die aarde se klimaat beïnvloed.
"Dit is die eerste omvattende studie van die oseaan se biologiese koolstofpomp sedert die Joint Global Ocean Flux-studie in die 1980's en negentigs," sê EXPORTS-wetenskapleier David Siegel van die Universiteit van Kalifornië, Santa Barbara. "In die tussentyd het ons gevorderde mikroskopiese beeldingsinstrumente, genomika, robuuste chemiese en optiese sensors en outonome robotte gekry—'n klomp goed wat ons nie destyds gehad het nie, so ons kan baie moeiliker en baie belangriker vrae vra." Daardie vrae sluit in hoeveel organiese koolstof die oppervlak-oseane verlaat, en watter pad dit neem as dit sy pad na die diepte maak waar dit vir lang tydperke gesekwestreer kan word, van dekades tot duisende jare.
Wetenskap en bemanning aan boord van die RRS James Cook is besig om 'n monsternemingsrooster te ontplooi - platform wat die versameling van die watermonsters en ander inligting vanaf seedieptes moontlik maak, met RRS Discovery en R/V Sarmiento de Gamboa in die verte wat dieselfde instrumentasie gelyktydig ontplooi. Krediet: Deborah Steinberg
Wetenskaplikes weet van drie hoofweë wat koolstof van die atmosfeer en die boonste oseaan na die donker "skemersone" vervoer wat 1,640 500 voet (1 m) of meer onder die oppervlak lê: 2) fisiese oseaanvermenging en sirkulasie kan gesuspendeerde organiese materiaal diep in die oseaan se binnekant, 3) deeltjies kan sink as gevolg van swaartekrag, dikwels nadat hulle deur die ingewande van organismes gegaan het, en XNUMX) daaglikse vertikale migrasies van diere wat tussen die boonste en onderste oseaanvlakke pendel, bring koolstof saam vir die rit.
EXPORTS het ten doel om te bepaal hoeveel koolstof deur elk van hierdie paaie vervoer word deur die koolstofpomp in twee baie verskillende oseaan-ekosisteme met verskillende toestande waar te neem. Die navorsers het die noordelike Stille Oseaan en Noord-Atlantiese Oseaan gekies omdat hulle aan die teenoorgestelde punte van die produktiwiteitspektrum is (dit wil sê tempo van fotosintese) en twee opponerende uiterstes van fisiese prosesse soos werwels en strome ervaar. Die bestudering van kontrasterende omgewings sal die maksimum insig verskaf vir die modellering van toekomstige klimaatscenario's.
Die wetenskaplike bemanning het op 29 April aan boord van die R/V Sarmiento de Gamboa gegaan ná 14 dae in kwarantyn. Krediet: Ken Buesseler/ Woods Hole Oceanographic Institution
Volgens Ivona Cetinić, projekwetenskaplike en oseanograaf by NASA se Goddard Space Flight Centre in Greenbelt, Maryland, is die Noord-Stille Oseaan soortgelyk aan 'n woestyn of "eenvoudige wei" op land. Dit is laag in voedingstowwe, in hierdie geval yster wat nodig is vir fotosintese, en ervaar onder die minste werwelstrome wat in die globale oseane voorkom. Daarom word koolstofvervoer na die diep oseaan hoofsaaklik aangedryf deur klein diertjies, genaamd soöplankton, wat mikroskopiese plantagtige fitoplankton verbruik en dan die verteerde koolstof na die dieptes hieronder uitskei.
Fitoplankton dryf in die boonste, sonverligte laag van die oseaan waar hulle koolstofdioksied wat uit die atmosfeer kom, in organiese koolstof kan omskakel. Wanneer toestande reg is, soos dikwels die geval is in die Noord-Atlantiese streek hierdie tyd van die jaar, groei of "blom" fitoplanktonbevolkings so vinnig dat hulle vanuit die ruimte gesien kan word.
Die Noord-Atlantiese Oseaan het ook sterk strome wat kontrasteer met die Noord-Stille Oseaan se stadiger bewegende waters. Daarmee saam sê Siegel dat hulle ten minste vier dae van strawwe weer tydens die maandlange ekspedisie verwag.
Maar UITVOER-data is nie net van toepassing op die see nie—dit sal ook gebruik word om satelliettegnologie te verbeter. Cetinić werk met verskeie optiese metings wat afkomstig is van seekleursatelliete, wat lig meet wat vanaf die seeoppervlak in dele van die sigbare spektrum weerkaats word, wat ons as die kleure van die reënboog ken. Dit verskaf insigte soos metings van die oseaan se temperatuur, soutgehalte, koolstof en konsentrasies van 'n groen pigment genaamd chlorofil. Die verskillende soorte fitoplankton wat verskillende dele van die ekosisteem en koolstofsiklus beset, produseer egter verskillende hoeveelhede en skakerings van groen chlorofil, wat 'n nuanse in seekleur skep wat huidige seekleursatelliete nie kan "sien nie."
Onder die instrumentasie wat tydens UITVOER ontplooi word, is hoogs verfynde, en in sommige gevalle eksperimentele, optiese instrumente om seekleur te meet wat soortgelyk is aan instrumente wat aan boord van toekomstige NASA-satelliete sal wees. Navorsers sal hierdie satelliet-simulerende metings kombineer met die gedetailleerde waarnemings van die oppervlak fitoplankton gemeenskap - deur genomika, beeldanalise of pigment samestelling - sowel as kennis van hul fisiologie om satelliete in staat te stel om oseaniese diversiteit op te spoor en uiteindelik hul rol in die oseaniese koolstofsiklus .
Die volgende generasie van hierdie satelliete, NASA se Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem (PACE)-sending, sal hiperspektraal wees, wat beteken dat dit in staat sal wees om data oor die hele sigbare spektrum te versamel, en inligting buite die sigbare deel vas te vang, insluitend ultraviolet en kortgolf infrarooi.
"Wat ons sien terwyl ons op die grond is, gee ons 'n begrip van watter soort inligting ons uit die ruimte sal moet sien om daardie kritieke prosesse vas te lê wat ons beter wil verstaan," het Cetinić gesê. “Dit dryf die ontwikkeling van die ruimtegebaseerde tegnologie aan. In ruil daarvoor maak data afkomstig van die nuwe Aardewaarnemingsatelliete dit vir wetenskaplikes, soos dié wat aan UITVOER deelneem, moontlik om ander belangrike inligting te gaan vind of nuwe tegnieke te ontwikkel om die huidige aan te vul, of selfs 'n nuwe Aardewaarnemingsatelliet te inspireer. Hierdie ewigdurende wisselwerking van tegnologie en wetenskap bevoordeel uiteindelik die hele mensdom.”
Na die veldwerkveldtog sal 'n bykomende fase van UITVOER fokus op die gebruik van die data wat van die Atlantiese Oseaan en Stille Oseaan ingesamel is om te voorspel hoe die koolstofvervoerpaaie in toekomstige oseane kan lyk.
"Wat ons tans weet, is beperk tot wat vandag in oseane gebeur," het Siegel gesê. "Met die voortdurende klimaatgedrewe veranderinge, wat nie net in die see gesien word nie, maar oor die Aarde-stelsels, moet ons in staat wees om te voorspel wat in 2075 gaan gebeur, en ons het nog nie daardie voorspellende begrip nie."
Omdat soveel kenmerke van 'n enkele sny oseaan gelyktydig gemeet gaan word, sal bestaande rekenaarmodelle 'n ryk en meer volledige datastel hê wat die koolstofpomp uitbeeld waarop projeksies gegrond kan word van wat in die nabye toekoms dieper kan gebeur. in die see—en wat die impak op die koolstofsiklus kan wees.
"Dit is so 'n goeie datastel dat dit navorsing vir dekades vorentoe gaan aanwakker," het Cetinić gesê.
Beide PACE en EXPORTS het vertragings ervaar as gevolg van die Covid-19 pandemie. Nou, om die veiligheid en sekuriteit van elke betrokke individu te verseker, was 'n kwarantyn van twee weke nodig voordat vaar- en sosiale distansieprotokolle vir die eerste week aan boord van die skepe ingestel is. Siegel sê die diversiteit en toewyding van die spanlede, die ongeëwenaarde ondersteuning van die Verenigde Koninkryk se Nasionale Oseanografie-sentrum om te verseker dat die skepe en bemanning gereed en veilig is om te vaar, die volgehoue toewyding van NASA se hoofkwartier, en 'n groot mate van geluk is die rede dat die veldtog vanjaar nog kan voortgaan.
