Отслеживание углерода от поверхности океана до темной «сумеречной зоны»
Различные сообщества фитопланктона цветут вокруг приморских провинций Канады и в северо-западной части Атлантического океана. Предоставлено: композит NASA/Aqua/MODIS, собранный 22 марта 2021 г.
Морское путешествие, поддерживаемое обоими НАСА и Национальный научный фонд отправились в северную Атлантику в начале мая — продолжение дополнительной экспедиции, софинансируемой NSF, которая проходила в северной части Тихого океана в 2018 году.
В развертывании в 2021 году океанографической полевой кампании НАСА под названием «Экспорт процессов в океане с помощью дистанционного зондирования» (ЭКСПОРТ) участвуют 150 ученых и членов экипажа из более чем 30 государственных, университетских и частных неправительственных организаций. Команда состоит из трех океанографических исследовательских судов, которые встретятся в международных водах к западу от Ирландии над подводной равниной Поркьюпайн Абиссаль. На протяжении всей полевой кампании ученые будут использовать различные инструменты на борту трех кораблей: RRS James Cook и RRS Discovery, эксплуатируемых Национальным океанографическим центром в Саутгемптоне, Великобритания, а также третьего судна, зафрахтованного проектом Ocean Twilight Zone. Океанографического института Вудс-Хоул и управляется Отделом морских технологий в Виго, Испания. В общей сложности 52 высокотехнологичные платформы, в том числе несколько автономных транспортных средств, будут проводить измерения и постоянно собирать данные.
Разнообразный планктон поверхностных вод под микроскопом. Он настолько сконцентрирован, что вам не нужно увеличивать масштаб, чтобы определить. Предоставлено: Лаура Холланд/ Университет Род-Айленда.
Большая часть науки сосредоточена на роли океана в глобальном углеродном цикле. Благодаря химическим и биологическим процессам океан удаляет из атмосферы столько углерода, сколько вся растительность на суше. Ученые надеются продолжить изучение механизмов биологической помпы океана — процесса, посредством которого углерод из атмосферы и поверхностных слоев океана улавливается на длительное время в глубинах океана. В этом процессе участвуют микроскопические растительные организмы, называемые фитопланктоном, которые подвергаются фотосинтезу точно так же, как растения на суше, и их можно увидеть из космоса, наблюдая за изменением цвета океана. Их продуктивность оказывает значительное влияние на углеродный цикл Земли, который, в свою очередь, влияет на климат Земли.
«Это первое всестороннее исследование биологического углеродного насоса океана после совместного исследования глобального потока океана в 1980-х и XNUMX-х годах», — сказал научный руководитель EXPORTS Дэвид Сигел из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. «Тем временем мы получили передовые инструменты микроскопической визуализации, геномику, надежные химические и оптические датчики и автономных роботов — множество вещей, которых у нас не было тогда, поэтому мы можем задавать гораздо более сложные и гораздо более важные вопросы». Эти вопросы включают в себя то, сколько органического углерода покидает поверхность океана, и какой путь он выбирает, продвигаясь к глубине, где он может улавливаться в течение длительных периодов времени, от десятилетий до тысяч лет.
Научные работники и команда на борту RRS James Cook развертывают розетку для отбора проб — платформу, которая позволяет собирать пробы воды и другую информацию из океанских глубин, а RRS Discovery и R/V Sarmiento de Gamboa на расстоянии одновременно используют одни и те же приборы. Кредит: Дебора Стейнберг
Ученым известно о трех основных путях, по которым углерод переносится из атмосферы и верхних слоев океана в темную «сумеречную зону», которая находится на глубине 1,640 футов (500 м) и более: 1) физическое перемешивание и циркуляция океана могут переносить взвешенные органические вещества глубоко недра океана, 2) частицы могут тонуть под действием силы тяжести, часто после прохождения через кишечник организмов, и 3) ежедневные вертикальные миграции животных, которые перемещаются между верхними и нижними уровнями океана, приносят с собой углерод.
EXPORTS стремится определить, сколько углерода транспортируется каждым из этих путей, наблюдая за углеродным насосом в двух очень разных океанских экосистемах с различными условиями. Исследователи выбрали северную часть Тихого океана и северную часть Атлантического океана, потому что они находятся на противоположных концах спектра продуктивности (т. е. скорости фотосинтеза) и сталкиваются с двумя противоположными крайностями физических процессов, такими как водовороты и течения. Изучение контрастных сред обеспечит максимальное понимание для моделирования будущих климатических сценариев.
Экипаж ученых поднялся на борт НИС «Сармьенто де Гамбоа» 29 апреля после 14 дней карантина. Предоставлено: Кен Бесселер / Океанографический институт Вудс-Хоул.
По словам Ивоны Цетинич, ученого-проектировщика и океанографа из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, северная часть Тихого океана похожа на пустыню или «простой луг» на суше. В нем мало питательных веществ, в данном случае железа, необходимого для фотосинтеза, и он является одним из наименьших вихревых течений, встречающихся в мировом океане. Следовательно, перенос углерода в глубины океана в основном осуществляется крошечными животными, называемыми зоопланктоном, которые потребляют микроскопический растительноподобный фитопланктон, а затем выделяют переваренный углерод на глубину ниже.
Фитопланктон дрейфует в верхнем, освещенном солнцем слое океана, где он может преобразовывать поступающий из атмосферы углекислый газ в органический углерод. При подходящих условиях, как это часто бывает в Североатлантическом регионе в это время года, популяции фитопланктона растут или «цветут» так быстро, что их можно увидеть из космоса.
В Северной Атлантике также есть сильные течения, которые контрастируют с более медленными водами северной части Тихого океана. Наряду с этим, Сигел говорит, что они ожидают по крайней мере четыре дня суровой погоды во время месячной экспедиции.
Но данные EXPORTS применимы не только к морю — они также будут использоваться для улучшения спутниковых технологий. Цетинич работает с несколькими оптическими измерениями, которые поступают со спутников цвета океана, которые измеряют свет, отраженный от поверхности океана в частях видимого спектра, которые мы знаем как цвета радуги. Они дают такие сведения, как измерения температуры океана, солености, содержания углерода и концентрации зеленого пигмента, называемого хлорофиллом. Однако различные виды фитопланктона, занимающие разные части экосистемы и углеродного цикла, производят различное количество и оттенки зеленого хлорофилла, создавая нюансы в цвете океана, которые современные спутники цвета океана не могут «видеть».
Среди инструментов, развернутых во время EXPORTS, есть очень совершенные, а в некоторых случаях и экспериментальные оптические инструменты для измерения цвета океана, которые аналогичны инструментам, которые будут установлены на борту будущих спутников НАСА. Исследователи будут сочетать эти спутниковые измерения с подробными наблюдениями за сообществом поверхностного фитопланктона — с помощью геномики, анализа изображений или состава пигментов — а также со знанием их физиологии, чтобы спутники могли обнаруживать океаническое разнообразие и, в конечном итоге, их роль в океаническом углеродном цикле. .
Следующее поколение этих спутников, миссия НАСА «Планктон, аэрозоль, облако, экосистема океана» (PACE), будет гиперспектральной, что означает, что он сможет собирать данные во всем видимом спектре и получать информацию за пределами видимой части, включая ультрафиолетовую и коротковолновый инфракрасный.
«То, что мы видим, находясь на земле, дает нам представление о том, какую информацию нам нужно будет видеть из космоса, чтобы зафиксировать те критические процессы, которые мы хотим лучше понять», — сказал Цетинич. «Это стимулирует развитие космических технологий. В свою очередь, данные, поступающие с новых спутников наблюдения за Землей, позволяют ученым, таким как те, кто участвует в программе EXPORTS, искать другую важную информацию или разрабатывать новые методы, дополняющие нынешний или даже вдохновляющие на создание нового спутника наблюдения за Землей. Это постоянное взаимодействие технологий и науки в конечном итоге приносит пользу всему человечеству».
После полевой кампании дополнительный этап EXPORTS будет сосредоточен на использовании данных, собранных в Атлантическом и Тихом океанах, для прогнозирования того, как могут выглядеть пути переноса углерода в будущих океанах.
«То, что мы в настоящее время знаем, ограничено тем, что происходит сегодня в океанах», — сказал Сигел. «В связи с продолжающимися климатическими изменениями, наблюдаемыми не только в океане, но и во всех земных системах, нам необходимо иметь возможность предсказывать, что произойдет в 2075 году, а у нас пока нет такого понимания».
Поскольку одновременно будет измеряться так много характеристик одного среза океана, существующие компьютерные модели будут иметь богатый и более полный набор данных, описывающий углеродный насос, на котором можно будет основывать прогнозы того, что может произойти в ближайшем будущем. в океане — и как это может повлиять на углеродный цикл.
«Это такой хороший набор данных, что он будет стимулировать исследования на десятилетия вперед», — сказал Цетинич.
И PACE, и EXPORTS столкнулись с задержками из-за Covid-19. пандемия. Теперь, чтобы обеспечить безопасность каждого вовлеченного лица, перед отплытием потребовался двухнедельный карантин, и в течение первой недели на борту кораблей были введены в действие протоколы социального дистанцирования. Сигел говорит, что разнообразие и самоотверженность членов команды, беспрецедентная поддержка со стороны Национального океанографического центра Великобритании для обеспечения готовности и безопасности кораблей и экипажа к плаванию, постоянная приверженность штаб-квартиры НАСА и большая удача - вот причина. что кампания все еще может продолжаться в этом году.
