Відстеження вуглецю від поверхні океану до темної «сутінкової зони»
Різні угруповання фітопланктону розквітають навколо канадських морських провінцій і в північно-західній частині Атлантичного океану. Авторство: композит NASA/Aqua/MODIS, зібраний 22 березня 2021 року
Подорож до моря, підтримана обома NASA і Національний науковий фонд відпливли в північну Атлантику на початку травня — продовження додаткової експедиції, співфінансованої NSF, яка відбулася в північній частині Тихого океану в 2018 році.
У розгортанні океанографічної польової кампанії НАСА під назвою «Експортні процеси в океані за допомогою дистанційного зондування» (EXPORTS) у 2021 році беруть участь 150 науковців і команди з понад 30 урядових, університетських і приватних неурядових установ. Команда складається з трьох океанографічних дослідницьких суден, які зустрінуться в міжнародних водах на захід від Ірландії над підводною рівниною Porcupine Abyssal. Під час польової кампанії вчені використовуватимуть різноманітні прилади з борту трьох кораблів: RRS James Cook і RRS Discovery, що управляються Національним океанографічним центром у Саутгемптоні, Великобританія, а також третього судна, зафрахтованого проектом Ocean Twilight Zone. Океанографічного інституту Вудс-Хоул і керується підрозділом морських технологій у Віго, Іспанія. Загалом 52 високотехнологічні платформи, включаючи кілька автономних транспортних засобів, будуть проводити вимірювання та постійно збирати дані.
Під мікроскопом можна побачити різноманітний планктон поверхневих вод. Він настільки зосереджений, що вам не потрібно масштабувати, щоб ідентифікувати. Авторство: Лора Холланд/ Університет Род-Айленда
Значна частина науки зосереджується на ролі океану в глобальному циклі вуглецю. За допомогою хімічних і біологічних процесів океан видаляє з атмосфери стільки ж вуглецю, скільки всі рослини на суші. Вчені сподіваються продовжити дослідження механізмів біологічного насоса океану — процесу, за допомогою якого вуглець з атмосфери та поверхневого океану довгостроково секвеструється в глибинах океану. У цьому процесі беруть участь мікроскопічні рослинні організми, які називаються фітопланктоном, які піддаються фотосинтезу так само, як рослини на суші, і їх можна побачити з космосу, спостерігаючи за змінами кольору океану. Їхня продуктивність має значний вплив на кругообіг вуглецю на Землі, що, у свою чергу, впливає на клімат Землі.
«Це перше комплексне дослідження біологічного вуглецевого насоса в океані після спільного дослідження глобального океанічного потоку в 1980-х і XNUMX-х роках», – сказав керівник відділу науки EXPORTS Девід Сігел з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі. «Тимчасом ми отримали передові інструменти мікроскопічної візуалізації, геноміку, надійні хімічні та оптичні датчики та автономних роботів — купу речей, яких у нас тоді не було, тому ми можемо задавати набагато складніші та важливіші запитання». Ці питання включають, скільки органічного вуглецю залишає поверхневий океан, і який шлях він проходить, пробираючись до глибини, де він може зберігатися протягом довгих періодів часу, від десятиліть до тисяч років.
Наука та екіпаж на борту RRS James Cook розгортають розетку для відбору проб – платформу, яка дозволяє збирати проби води та іншу інформацію з глибин океану, а RRS Discovery і R/V Sarmiento de Gamboa на відстані одночасно використовують ті самі прилади. Авторство: Дебора Стейнберг
Вченим відомо про три основних шляхи транспортування вуглецю з атмосфери та верхньої частини океану до темної «зони сутінків», що лежить на глибині 1,640 футів (500 м) або більше під поверхнею: 1) фізичне перемішування та циркуляція океану може переносити зважені органічні речовини вглиб. внутрішня частина океану, 2) частинки можуть тонути під дією сили тяжіння, часто після проходження через кишки організмів, і 3) щоденні вертикальні міграції тварин, які переміщуються між верхнім і нижнім рівнями океану, приносять вуглець для подорожі.
EXPORTS має на меті визначити, скільки вуглецю транспортується кожним із цих шляхів, спостерігаючи за вуглецевим насосом у двох дуже різних екосистемах океану з різними умовами. Дослідники обрали північну частину Тихого океану та північну Атлантику, оскільки вони знаходяться на протилежних кінцях спектру продуктивності (тобто швидкості фотосинтезу) і відчувають дві протилежні крайності фізичних процесів, таких як вихри та течії. Вивчення контрастного середовища дасть максимальне розуміння для моделювання майбутніх кліматичних сценаріїв.
Екіпаж вченого піднявся на борт R/V Sarmiento de Gamboa 29 квітня після 14 днів карантину. Авторство: Кен Бюсселер/ Океанографічний інститут Вудс-Хоул
За словами Івони Цетініч, науковця та океанографа з Центру космічних польотів НАСА Годдарда в Грінбелті, штат Меріленд, північна частина Тихого океану схожа на пустелю або «простий луг» на суші. У ньому мало поживних речовин, у даному випадку заліза, необхідного для фотосинтезу, і є одним з найменших вихрових течій, які можна знайти в глобальному океані. Тому транспортування вуглецю в глибини океану в першу чергу здійснюється крихітними тваринами, які називаються зоопланктоном, які споживають мікроскопічний рослинний фітопланктон, а потім виділяють перетравлений вуглець на глибину.
Фітопланктон дрейфує у верхній, освітлений сонцем шар океану, де вони можуть перетворювати вуглекислий газ, що надходить з атмосфери, в органічний вуглець. Коли умови сприятливі, як це часто буває в Північноатлантичному регіоні в цю пору року, популяції фітопланктону ростуть або «цвітуть» настільки швидко, що їх можна побачити з космосу.
У Північній Атлантиці також є сильні течії, які контрастують з повільнішими водами Північної Тихого океану. Разом з цим, Сігел каже, що вони очікують щонайменше чотири дні суворої погоди під час місячної експедиції.
Але дані EXPORTS стосуються не тільки моря — вони також будуть використовуватися для вдосконалення супутникових технологій. Цетінич працює з кількома оптичними вимірюваннями, які надходять від супутників кольору океану, які вимірюють світло, відбите від поверхні океану в частинах видимого спектру, які ми знаємо як кольори веселки. Вони дають таку інформацію, як вимірювання температури океану, солоності, вуглецю та концентрації зеленого пігменту, який називається хлорофілом. Однак різні види фітопланктону, що займають різні частини екосистеми та вуглецевого циклу, виробляють різну кількість і відтінки зеленого хлорофілу, створюючи нюанси в кольорі океану, які не можуть «побачити» нинішні супутники кольору океану.
Серед приладів, що використовуються під час ЕКСПОРТУ, є дуже досконалі, а в деяких випадках і експериментальні, оптичні прилади для вимірювання кольору океану, схожі на прилади, які будуть на борту майбутніх супутників NASA. Дослідники поєднуватимуть ці вимірювання супутникового моделювання з детальними спостереженнями за спільнотою приземного фітопланктону — за допомогою геноміки, аналізу зображень або складу пігменту — а також знаннями про їхню фізіологію, щоб дозволити супутникам виявити різноманітність океанів і, зрештою, їхню роль в океанічному циклі вуглецю. .
Наступне покоління цих супутників, місія NASA «Планктон, аерозоль, хмара, екосистема океану» (PACE), буде гіперспектральним, що означає, що він зможе збирати дані у всьому видимому спектрі та отримувати інформацію за межами видимої частини, включаючи ультрафіолет та короткохвильовий інфрачервоний.
«Те, що ми бачимо, перебуваючи на землі, дає нам зрозуміти, яку інформацію нам потрібно буде побачити з космосу, щоб охопити ті критичні процеси, які ми хочемо краще зрозуміти», – сказав Цетінич. «Це стимулює розвиток космічних технологій. У свою чергу, дані, що надходять з нових супутників спостереження Землі, дозволяють вченим, наприклад тим, хто бере участь у EXPORTS, знайти іншу важливу інформацію або розробити нові методики, щоб доповнити нинішній або навіть створити новий супутник для спостереження Землі. Ця постійна взаємодія технології та науки в кінцевому підсумку приносить користь всьому людству».
Після польової кампанії, додаткова фаза EXPORTS буде зосереджена на використанні даних, зібраних з Атлантики та Тихого океану, щоб передбачити, як можуть виглядати шляхи транспортування вуглецю в майбутніх океанах.
«Те, що ми зараз знаємо, обмежується тим, що сьогодні відбувається в океанах», — сказав Сігел. «У зв’язку з постійними змінами клімату, які спостерігаються не лише в океані, але й у всіх системах Землі, ми повинні мати можливість передбачити, що станеться у 2075 році, і ми ще не маємо цього прогнозного розуміння».
Оскільки так багато характеристик окремого шматочка океану буде виміряно одночасно, існуючі комп’ютерні моделі матимуть багатий і більш повний набір даних із зображенням вуглецевої помпи, на якій базуються прогнози того, що може статися в найближчому майбутньому глибше. в океані — і який вплив може мати на кругообіг вуглецю.
«Це настільки хороший набір даних, що він буде стимулювати дослідження на десятиліття вперед», – сказав Цетінич.
І PACE, і EXPORTS зазнали затримок через COVID-19 пандемія. Тепер, щоб забезпечити безпеку та безпеку кожної залученої особи, потрібен був двотижневий карантин перед відпливом, а протоколи соціального дистанціювання були введені в дію протягом першого тижня на борту кораблів. Сігел каже, що причиною цього є різноманітність та відданість членів команди, безпрецедентна підтримка Національного океанографічного центру Великобританії для забезпечення готовності та безпеки кораблів та екіпажу до плавання, стійка прихильність штаб-квартири NASA та велика удача. що ця кампанія ще може тривати цього року.
