Melacak Karbon Dari Permukaan Laut ke “Twilight Zone” Gelap
Komunitas fitoplankton yang berbeda berkembang di sekitar Provinsi Maritim Kanada dan melintasi Samudra Atlantik barat laut. Kredit: Komposit NASA/Aqua/MODIS dikumpulkan pada 22 Maret 2021
Perjalanan menuju laut, didukung oleh keduanya NASA dan National Science Foundation, berlayar di Atlantik utara pada awal Mei—sekuel ekspedisi pelengkap, yang didanai bersama oleh NSF, yang berlangsung di Pasifik utara pada 2018.
Penyebaran kampanye lapangan oseanografi NASA tahun 2021, yang disebut Proses Ekspor di Lautan dari Penginderaan Jauh (EKSPOR), terdiri dari 150 ilmuwan dan kru dari lebih dari 30 lembaga pemerintah, universitas, dan swasta non-pemerintah. Tim ini tersebar di tiga kapal penelitian oseanografi, yang akan bertemu di perairan internasional sebelah barat Irlandia di atas dataran Porcupine Abyssal bawah laut. Sepanjang kampanye lapangan, para ilmuwan akan mengerahkan berbagai instrumen dari tiga kapal: RRS James Cook dan RRS Discovery, yang dioperasikan oleh National Oceanography Centre di Southampton, Inggris, ditambah kapal ketiga yang disewa oleh proyek Ocean Twilight Zone. Lembaga Oseanografi Woods Hole dan dioperasikan oleh Unit Teknologi Kelautan di Vigo, Spanyol. Sebanyak 52 platform berteknologi tinggi, termasuk beberapa kendaraan otonom, akan melakukan pengukuran dan terus mengumpulkan data.
Beragam plankton dari permukaan air terlihat di bawah mikroskop. Ini sangat terkonsentrasi sehingga Anda tidak perlu memperbesar untuk mengidentifikasi. Kredit: Laura Holland/ Universitas Rhode Island
Sebagian besar ilmu berfokus pada peran laut dalam siklus karbon global. Melalui proses kimia dan biologis, laut menghilangkan karbon dari atmosfer sebanyak semua kehidupan tanaman di darat. Para ilmuwan berharap untuk mengeksplorasi lebih lanjut mekanisme pompa biologis laut—proses di mana karbon dari atmosfer dan permukaan laut diasingkan dalam jangka panjang di laut dalam. Proses ini melibatkan organisme mikroskopis mirip tumbuhan yang disebut fitoplankton, yang menjalani fotosintesis seperti tumbuhan di darat dan dapat dilihat dari luar angkasa dengan mengamati perubahan warna laut. Produktivitas mereka memiliki dampak signifikan pada siklus karbon Bumi, yang kemudian mempengaruhi iklim Bumi.
"Ini adalah studi komprehensif pertama dari pompa karbon biologis laut sejak studi Fluks Laut Global Bersama pada 1980-an dan sembilan puluhan," kata pemimpin sains EKSPOR David Siegel dari University of California, Santa Barbara. “Untuk sementara, kami mendapatkan alat pencitraan mikroskopis canggih, genomik, sensor kimia dan optik yang kuat, dan robot otonom—banyak hal yang tidak kami miliki saat itu, sehingga kami dapat mengajukan pertanyaan yang jauh lebih sulit dan lebih penting.” Pertanyaan-pertanyaan itu termasuk berapa banyak karbon organik yang meninggalkan permukaan laut, dan jalur apa yang diambilnya saat mencapai kedalaman di mana ia dapat diasingkan untuk jangka waktu yang lama, dari beberapa dekade hingga ribuan tahun.
Ilmu pengetahuan dan kru di atas RRS James Cook menyebarkan roset pengambilan sampel – platform yang memungkinkan pengumpulan sampel air dan informasi lainnya dari kedalaman laut, dengan RRS Discovery dan R/V Sarmiento de Gamboa di kejauhan menyebarkan instrumentasi yang sama secara bersamaan. Kredit: Deborah Steinberg
Para ilmuwan mengetahui tiga jalur utama yang mengangkut karbon dari atmosfer dan laut bagian atas ke "zona senja" gelap yang terletak 1,640 kaki (500m) atau lebih di bawah permukaan: 1) pencampuran dan sirkulasi laut fisik dapat membawa bahan organik tersuspensi jauh ke dalam interior laut, 2) partikel dapat tenggelam karena gravitasi, seringkali setelah melewati usus organisme, dan 3) migrasi vertikal harian hewan yang bolak-balik antara permukaan laut atas dan bawah membawa karbon untuk perjalanan.
EKSPOR bertujuan untuk mengetahui berapa banyak karbon yang diangkut oleh masing-masing jalur tersebut dengan mengamati pompa karbon di dua ekosistem laut yang sangat berbeda dengan kondisi yang bervariasi. Para peneliti memilih Pasifik utara dan Atlantik utara karena mereka berada di ujung yang berlawanan dari spektrum produktivitas (yaitu tingkat fotosintesis) dan mengalami dua proses fisik ekstrem yang berlawanan seperti pusaran dan arus. Mempelajari lingkungan yang kontras akan memberikan wawasan maksimum untuk pemodelan skenario iklim masa depan.
Awak ilmuwan menaiki R/V Sarmiento de Gamboa pada 29 April setelah 14 hari dikarantina. Kredit: Ken Buesseler/ Lembaga Oseanografi Woods Hole
Menurut Ivona Cetinić, ilmuwan proyek dan ahli kelautan di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA di Greenbelt, Maryland, Pasifik Utara mirip dengan gurun atau "padang rumput sederhana" di darat. Ini rendah nutrisi, dalam hal ini zat besi yang dibutuhkan untuk fotosintesis, dan mengalami arus pusaran paling sedikit yang ditemukan di lautan global. Oleh karena itu, pengangkutan karbon ke laut dalam terutama didorong oleh hewan kecil, yang disebut zooplankton, memakan fitoplankton mirip tumbuhan mikroskopis dan kemudian mengeluarkan karbon yang dicerna ke kedalaman di bawahnya.
Fitoplankton melayang di lapisan atas lautan yang diterangi matahari di mana mereka dapat mengubah karbon dioksida yang berasal dari atmosfer menjadi karbon organik. Ketika kondisinya tepat, seperti yang sering terjadi di wilayah Atlantik Utara sepanjang tahun ini, populasi fitoplankton tumbuh atau “mekar” begitu cepat sehingga dapat dilihat dari luar angkasa.
Atlantik Utara juga memiliki arus kuat yang kontras dengan perairan Pasifik Utara yang bergerak lebih lambat. Bersamaan dengan itu, Siegel mengatakan mereka mengantisipasi setidaknya empat hari cuaca buruk selama ekspedisi selama sebulan.
Namun data EKSPOR tidak hanya berlaku untuk laut—juga akan digunakan untuk meningkatkan teknologi satelit. Cetinić bekerja dengan beberapa pengukuran optik yang berasal dari satelit warna laut, yang mengukur cahaya yang dipantulkan dari permukaan laut di bagian spektrum yang terlihat, yang kita kenal sebagai warna pelangi. Ini memberikan wawasan seperti pengukuran suhu laut, salinitas, karbon, dan konsentrasi pigmen hijau yang disebut klorofil. Namun, berbagai spesies fitoplankton yang menempati berbagai bagian ekosistem dan siklus karbon menghasilkan jumlah dan corak klorofil hijau yang berbeda, menciptakan nuansa warna laut yang tidak dapat "dilihat" oleh satelit warna laut saat ini.
Di antara instrumentasi yang digunakan selama EKSPOR sangat halus, dan dalam beberapa kasus eksperimental, instrumen optik untuk mengukur warna laut yang mirip dengan instrumen yang akan ada di satelit NASA di masa depan. Para peneliti akan menggabungkan pengukuran simulasi satelit ini dengan pengamatan terperinci dari komunitas fitoplankton permukaan—melalui genomik, analisis gambar, atau komposisi pigmen—serta pengetahuan tentang fisiologi mereka untuk memungkinkan satelit mendeteksi keanekaragaman lautan dan pada akhirnya peran mereka dalam siklus karbon lautan. .
Generasi berikutnya dari satelit ini, misi Plankton, Aerosol, Cloud, ocean Ecosystem (PACE) NASA, akan menjadi hyperspectral, yang berarti akan dapat mengumpulkan data di seluruh spektrum yang terlihat, dan menangkap informasi di luar bagian yang terlihat, termasuk ultraviolet dan inframerah gelombang pendek.
“Apa yang kami lihat saat berada di lapangan memberi kami pemahaman tentang jenis informasi apa yang perlu kami lihat dari luar angkasa untuk menangkap proses kritis yang ingin kami pahami dengan lebih baik,” kata Cetinic. “Itu mendorong pengembangan teknologi berbasis ruang angkasa. Sebagai imbalannya, data yang berasal dari satelit pengamatan Bumi yang baru memungkinkan para ilmuwan, seperti yang berpartisipasi dalam EKSPOR, untuk pergi dan menemukan informasi penting lainnya atau mengembangkan teknik baru untuk melengkapi saat ini, atau bahkan menginspirasi satelit pengamatan Bumi yang baru. Interaksi terus-menerus antara teknologi dan sains ini, pada akhirnya bermanfaat bagi seluruh umat manusia.”
Setelah kampanye kerja lapangan, fase tambahan EKSPOR akan fokus pada penggunaan data yang dikumpulkan dari Atlantik dan Pasifik untuk memprediksi seperti apa jalur transportasi karbon di lautan masa depan.
“Apa yang kita ketahui saat ini terbatas pada apa yang terjadi di lautan saat ini,” kata Siegel. “Dengan perubahan yang didorong oleh iklim yang sedang berlangsung, terlihat tidak hanya di lautan tetapi di seluruh sistem Bumi, kita harus dapat memprediksi apa yang akan terjadi pada tahun 2075, dan kita belum memiliki pemahaman prediktif itu.”
Karena begitu banyak karakteristik dari satu irisan laut akan diukur pada saat yang sama, model komputer yang ada akan memiliki kumpulan data yang kaya dan lebih lengkap yang menggambarkan pompa karbon yang menjadi dasar proyeksi apa yang mungkin terjadi dalam waktu dekat lebih dalam. di lautan—dan apa dampaknya terhadap siklus karbon.
“Ini adalah kumpulan data yang bagus sehingga akan mendorong penelitian selama beberapa dekade mendatang,” kata Cetinić.
Baik PACE maupun EXPORTS mengalami penundaan karena Covid-19 pandemi. Sekarang, untuk memastikan keselamatan dan keamanan setiap individu yang terlibat, karantina dua minggu diperlukan sebelum berlayar dan protokol jarak sosial diberlakukan untuk minggu pertama di atas kapal. Siegel mengatakan keragaman dan dedikasi anggota tim, dukungan tak tertandingi dari Pusat Oseanografi Nasional Inggris untuk memastikan kapal dan awak siap dan aman untuk berlayar, komitmen berkelanjutan dari Markas Besar NASA, dan banyak keberuntungan adalah alasannya. bahwa kampanye masih bisa berjalan tahun ini.
