تتبع الكربون من سطح المحيط إلى "منطقة الشفق" المظلمة
تتكاثر مجتمعات العوالق النباتية المختلفة حول المقاطعات البحرية الكندية وعبر شمال غرب المحيط الأطلسي. الائتمان: مركب NASA / Aqua / MODIS الذي تم جمعه في 22 مارس 2021
رحلة بحرية ، يدعمها الاثنان وكالة ناسا والمؤسسة الوطنية للعلوم ، أبحرت في شمال المحيط الأطلسي في أوائل شهر مايو - تتمة لرحلة استكشافية تكميلية ، بتمويل مشترك من NSF ، جرت في شمال المحيط الهادئ في عام 2018.
يتكون نشر الحملة الميدانية لعلوم المحيطات التابعة لناسا في عام 2021، والتي تسمى عمليات التصدير في المحيط من الاستشعار عن بعد (EXPORTS)، من 150 عالمًا وطاقمًا من أكثر من 30 مؤسسة حكومية وجامعية وخاصة غير حكومية. ينتشر الفريق عبر ثلاث سفن أبحاث أوقيانوغرافية، والتي ستلتقي في المياه الدولية غرب أيرلندا فوق سهل Porcupine Abyssal تحت الماء. طوال الحملة الميدانية، سيقوم العلماء بنشر مجموعة متنوعة من الأدوات من على متن السفن الثلاث: RRS James Cook و RRS Discovery، التي يديرها المركز الوطني لعلوم المحيطات في ساوثامبتون، المملكة المتحدة، بالإضافة إلى سفينة ثالثة مستأجرة من قبل مشروع Ocean Twilight Zone. معهد وودز هول لعلوم المحيطات وتديره وحدة التكنولوجيا البحرية في فيغو، إسبانيا. وسيقوم إجمالي 52 منصة عالية التقنية، بما في ذلك العديد من المركبات ذاتية القيادة، بأخذ القياسات وجمع البيانات بشكل مستمر.
عوالق متنوعة من المياه السطحية تُرى تحت المجهر. إنه شديد التركيز بحيث لا تحتاج إلى التكبير للتعرف عليه. الائتمان: لورا هولاند / جامعة رود آيلاند
يركز الكثير من العلوم على دور المحيط في دورة الكربون العالمية. من خلال العمليات الكيميائية والبيولوجية ، يزيل المحيط الكثير من الكربون من الغلاف الجوي مثل كل الحياة النباتية على الأرض. يأمل العلماء في مواصلة استكشاف آليات المضخة البيولوجية للمحيطات - العملية التي يتم من خلالها عزل الكربون من الغلاف الجوي وسطح المحيط على المدى الطويل في أعماق المحيط. تتضمن هذه العملية كائنات مجهرية تشبه النباتات تسمى العوالق النباتية ، والتي تخضع لعملية التمثيل الضوئي تمامًا مثل النباتات على الأرض ويمكن رؤيتها من الفضاء من خلال ملاحظة التغييرات في لون المحيط. إن إنتاجيتهم لها تأثير كبير على دورة الكربون للأرض ، والتي بدورها تؤثر على مناخ الأرض.
قال ديفيد سيجل قائد علوم EXPORTS من جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا: "هذه هي أول دراسة شاملة لمضخة الكربون البيولوجية في المحيط منذ دراسة Global Ocean Flux المشتركة في الثمانينيات والتسعينيات". "في غضون ذلك ، حصلنا على أدوات تصوير مجهرية متقدمة ، وعلم الجينوم ، وأجهزة استشعار كيميائية وبصرية قوية وروبوتات مستقلة - مجموعة من الأشياء التي لم تكن لدينا في ذلك الوقت ، لذلك يمكننا طرح أسئلة أصعب وأكثر أهمية." تتضمن هذه الأسئلة مقدار الكربون العضوي الذي يغادر سطح المحيط ، والمسار الذي يسلكه وهو يشق طريقه إلى العمق حيث يمكن عزله لفترات طويلة من الزمن ، من عقود إلى آلاف السنين.
يقوم العلم والطاقم على متن RRS James Cook بنشر وردة لأخذ العينات - منصة تسمح بجمع عينات المياه وغيرها من المعلومات من أعماق المحيط ، مع RRS Discovery و R / V Sarmiento de Gamboa في المسافة لنشر نفس الأجهزة في وقت واحد. الائتمان: ديبورا شتاينبرغ
يعرف العلماء ثلاثة مسارات رئيسية تنقل الكربون من الغلاف الجوي وأعلى المحيط إلى "منطقة الشفق" المظلمة التي تقع على بعد 1,640 قدمًا (500 متر) أو أكثر تحت السطح: 1) يمكن أن يؤدي الاختلاط المادي للمحيطات ودورانها إلى حمل المواد العضوية المعلقة إلى الأعماق. الجزء الداخلي للمحيط ، 2) يمكن للجسيمات أن تغرق بسبب الجاذبية ، غالبًا بعد المرور عبر أحشاء الكائنات الحية ، و 3) الهجرات العمودية اليومية للحيوانات التي تتنقل بين مستويات المحيط العليا والسفلى تجلب الكربون طوال الرحلة.
تهدف الصادرات إلى تحديد مقدار الكربون الذي يتم نقله بواسطة كل من هذه المسارات من خلال مراقبة مضخة الكربون في نظامين بيئيين مختلفين للغاية للمحيطات مع ظروف مختلفة. اختار الباحثون شمال المحيط الهادئ وشمال المحيط الأطلسي لأنهم على طرفي نقيض من طيف الإنتاجية (أي معدلات التمثيل الضوئي) ويختبرون طرفي نقيض من العمليات الفيزيائية مثل الدوامات والتيارات. ستوفر دراسة البيئات المتباينة الرؤية القصوى لنمذجة سيناريوهات المناخ المستقبلية.
استقل طاقم العالم سفينة R / V Sarmiento de Gamboa في 29 أبريل بعد 14 يومًا في الحجر الصحي. الائتمان: كين بوسيلر / مؤسسة وودز هول لعلوم المحيطات
وفقًا لإيفونا سيتينيتش ، عالمة المشروع وعالم المحيطات في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند ، فإن شمال المحيط الهادئ يشبه الصحراء أو "مرج بسيط" على الأرض. إنه منخفض في العناصر الغذائية ، وفي هذه الحالة الحديد اللازم لعملية التمثيل الضوئي ، وخبراته من بين أقل التيارات الدوامية الموجودة في المحيطات العالمية. لذلك ، فإن نقل الكربون إلى أعماق المحيط يكون مدفوعًا بشكل أساسي بالحيوانات الصغيرة ، التي تسمى العوالق الحيوانية ، التي تستهلك العوالق النباتية المجهرية الشبيهة بالنباتات ثم تفرز الكربون المهضوم إلى الأعماق أدناه.
تنجرف العوالق النباتية في الطبقة العلوية المضاءة بنور الشمس من المحيط حيث يمكنها تحويل ثاني أكسيد الكربون الذي يأتي من الغلاف الجوي إلى كربون عضوي. عندما تكون الظروف مناسبة ، كما هو الحال غالبًا في منطقة شمال الأطلسي في هذا الوقت من العام ، تنمو أعداد العوالق النباتية أو "تتفتح" بسرعة بحيث يمكن رؤيتها من الفضاء.
يتميز شمال المحيط الأطلسي أيضًا بتيارات قوية تتناقض مع حركة المياه الأبطأ في شمال المحيط الهادئ. إلى جانب هؤلاء ، يقول سيجل إنهم يتوقعون أربعة أيام على الأقل من الطقس القاسي خلال الرحلة الاستكشافية التي تستغرق شهرًا.
لكن بيانات EXPORTS لا تنطبق فقط على البحر - بل سيتم استخدامها أيضًا لتحسين تكنولوجيا الأقمار الصناعية. يعمل Cetinić مع العديد من القياسات البصرية التي تأتي من الأقمار الصناعية الملونة للمحيطات ، والتي تقيس الضوء المنعكس من سطح المحيط في أجزاء من الطيف المرئي ، ما نعرفه بألوان قوس قزح. توفر هذه الأفكار رؤى مثل قياسات درجة حرارة المحيط ، والملوحة ، والكربون ، وتركيزات صبغة خضراء تسمى الكلوروفيل. ومع ذلك ، فإن الأنواع المختلفة من العوالق النباتية التي تحتل أجزاء مختلفة من النظام البيئي ودورة الكربون تنتج كميات وظلال مختلفة من الكلوروفيل الأخضر ، مما يخلق فارقًا بسيطًا في لون المحيط لا تستطيع الأقمار الصناعية الملونة الموجودة في المحيط "رؤيته".
من بين الأجهزة التي تم نشرها خلال EXPORTS أدوات بصرية عالية الدقة ، وفي بعض الحالات تجريبية ، لقياس لون المحيطات التي تشبه الأدوات التي ستكون على متن أقمار ناسا الصناعية المستقبلية. سيجمع الباحثون قياسات محاكاة الأقمار الصناعية هذه مع الملاحظات التفصيلية لمجتمع العوالق النباتية السطحية - من خلال علم الجينوم أو تحليل الصور أو تكوين الصباغ - بالإضافة إلى معرفة علم وظائف الأعضاء لتمكين الأقمار الصناعية من اكتشاف التنوع المحيطي ودورها في نهاية المطاف في دورة الكربون المحيطية .
سيكون الجيل القادم من هذه الأقمار الصناعية ، مهمة العوالق والهباء الجوي والسحابة والنظام البيئي للمحيطات (PACE) التابعة لناسا ، فائقة الطيف ، مما يعني أنها ستكون قادرة على جمع البيانات عبر الطيف المرئي بأكمله ، والتقاط المعلومات خارج الجزء المرئي ، بما في ذلك الأشعة فوق البنفسجية و الأشعة تحت الحمراء على الموجة القصيرة.
قال سيتينيو: "ما نراه أثناء تواجدنا على الأرض يعطينا فهمًا لنوع المعلومات التي سنحتاج إلى رؤيتها من الفضاء من أجل التقاط تلك العمليات الحرجة التي نريد أن نكون قادرين على فهمها بشكل أفضل". "هذا يقود تطوير التكنولوجيا المعتمدة على الفضاء. في المقابل ، تسمح البيانات القادمة من الأقمار الصناعية الجديدة لرصد الأرض للعلماء ، مثل أولئك المشاركين في EXPORTS ، بالذهاب والعثور على معلومات مهمة أخرى أو تطوير تقنيات جديدة لاستكمال أو حتى إلهام قمر صناعي جديد لرصد الأرض. هذا التفاعل الدائم بين التكنولوجيا والعلوم ، يفيد البشرية جمعاء في نهاية المطاف ".
بعد حملة العمل الميداني ، ستركز مرحلة إضافية من الصادرات على استخدام البيانات التي تم جمعها من المحيط الأطلسي والمحيط الهادئ للتنبؤ بما قد تبدو عليه مسارات نقل الكربون في المحيطات المستقبلية.
قال سيجل: "ما نعرفه حاليًا يقتصر على ما يحدث في المحيطات اليوم". "مع التغييرات المستمرة التي يحركها المناخ ، والتي لا تُرى فقط في المحيط ولكن عبر أنظمة الأرض ، نحتاج إلى أن نكون قادرين على التنبؤ بما سيحدث في عام 2075 ، وليس لدينا هذا الفهم التنبئي حتى الآن."
نظرًا لأنه سيتم قياس العديد من الخصائص لشريحة واحدة من المحيط في نفس الوقت ، فإن نماذج الكمبيوتر الحالية ستحتوي على مجموعة بيانات غنية وأكثر اكتمالاً تصور مضخة الكربون التي تستند إليها توقعات ما قد يحدث في المستقبل القريب في الأعماق. في المحيط - وما التأثيرات التي قد تكون على دورة الكربون.
قال سيتينيو: "إنها مجموعة بيانات جيدة ستغذي الأبحاث لعقود قادمة".
واجه كل من PACE و EXPORTS تأخيرات بسبب كوفيد-19 جائحة. الآن ، لضمان سلامة وأمن كل فرد معني ، كان مطلوبًا الحجر الصحي لمدة أسبوعين قبل سن بروتوكولات الإبحار والتباعد الاجتماعي للأسبوع الأول على متن السفن. يقول سيجل إن تنوع أعضاء الفريق وتفانيهم ، والدعم الذي لا مثيل له من المركز الوطني لعلوم المحيطات في المملكة المتحدة لضمان أن السفن والطاقم جاهزة وآمنة للإبحار ، والالتزام المستمر من مقر ناسا ، وقدر كبير من الحظ الجيد هو السبب وراء ذلك. أن الحملة لا تزال قادرة على المضي قدمًا هذا العام.
