Ny model forudsiger placeringer af biologiske hotspots i havet

Hvert år kommer tusindvis af mennesker til Monterey Bay for at se havfugles madvaner, søløver, og pukkelhvaler. Men hvorfor gør visse kystområder, såsom Monterey Bay, blive mekkaer for både mennesker og dyreliv? En ny computermodel af MBARI-forskerne Monique Messié og Francisco Chavez kan forudsige placeringen af ​​biologiske hotspots rundt om i verden, kun ved hjælp af grundlæggende oplysninger om de lokale vinde, strømme, og nitratkoncentrationer, der fungerer som gødning til marine alger. Messié og Chavez offentliggjorde for nylig en beskrivelse af deres nye model i tidsskriftet Geofysiske forskningsbreve .

Monterey Bay er et hotspot for hvaler og andre havdyr, delvist på grund af dens enorme sværme af ansjos og krill. Ansjos og krill er rigeligt, fordi dette område understøtter masser af mindre dyr som copepoder, samt mikroskopiske alger såsom kiselalger. Kiselalger vokser frodigt om foråret, når der er meget nitrat i vandet. Dette nitrat kommer fra dybt vand, der føres op mod overfladen, når stærke nordvestlige vinde skubber overfladevand væk fra kysten - en proces kendt som opstrømning.

Selvom upwelling -begivenheder typisk varer kun et par dage, deres biologiske påvirkninger kan fortsætte i uger eller måneder, da kiselalgeropblomstringer tillader dyreplankton som copepoder og krill at føde, dyrke, og reproducere. I løbet af denne tid, havstrømme kan transportere både kiselalger og zooplankton snesevis af kilometer væk fra kysten.

Så det korte svar om Monterey Bay er, at det er et hotspot på grund af opstrømning. Så meget kan forudsiges ved hjælp af eksisterende modeller. Men Messiés model er usædvanlig, fordi den viser meget detaljeret, hvor dyr (i dette tilfælde, copepoder) vil sandsynligvis samles i og omkring opvoksende områder.

At bruge en computermodel til at reproducere denne proces er en kæmpe udfordring. De fleste computermodeller af havet er ekstremt komplekse, inkorporerer mange forskellige faktorer om fysiske og nogle gange biologiske processer, der forekommer i forskellige dybder.

I modsætning, Messiés nye model er forholdsvis enkel. Alligevel gør den et overraskende godt stykke arbejde med at forudsige de detaljerede placeringer af kendte hotspots omkring flere af verdens vigtigste opvoksningsområder.

Kernen i modellen er nitrat, et væsentligt næringsstof for kiselalger og mange andre mikroskopiske marine alger (også kendt som fytoplankton). Mange planteplankton har brug for nitrat for at vokse. Men kiselalger formerer sig kun, når der er meget nitrat i det solbeskinnede overfladevand.

Manglende detaljerede data om nitratkoncentrationer ved fjerntliggende opstrømningscentre, Messié og hendes kolleger brugte generaliseret information om mængden af ​​tilgængelig på dybt vand i de forskellige opstigningsområder, kombineret med information om de lokale vinde, der bringer dette nitrat op mod overfladen.

Modellen tager også hensyn til havstrømme. "En af de ting, vi lærte ved at skabe denne model, "Messié bemærkede, "var, hvor vigtige havstrømme var i at flytte nitrat og alger i havet. Først forsøgte vi at lave vores egne beregninger af strømme ud fra generaliseret information om vinde, men vi brugte til sidst et eksisterende datalager, der leverede estimater af havstrømme baseret på satellitdata."

Forskerne kontrollerede først modellens resultater mod feltdata indsamlet ved kysten af ​​det centrale Californien af ​​MBARI, National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), og California Cooperative Oceanic Fisheries Investigations (CalCOFI).

Ifølge Messié, "Modellen gjorde et godt stykke arbejde med at simulere overordnede mønstre af phytoplankton succession, og forskelle mellem onshore- og offshore-populationer." modellen forudsagde topkoncentrationer af copepoder omkring 50 til 100 kilometer væk fra kysten – et fænomen, der blev observeret af CalCOFI zooplanktonundersøgelser i regionen.

Copepod-hotspots forudsagt af modellen matchede også krill-hotspots identificeret under NOAAs feltundersøgelser. Krill har en tendens til at leve på dybere vand end copepoder, hvor de måske ikke er så påvirket af overfladestrømme. Af denne grund, forskerne var oprindeligt overraskede over, at krill ville ende i de områder, der var forudsagt som hotspots for copepoder. Men opdagelsen giver mening, når man tænker på, at biologiske hotspots ofte huser mange forskellige typer dyr (havfugle, søløver, og pukkelryg, for eksempel).

Messié bemærker, at så længe de nøjagtigt kan simulere virkelige forhold, mindre, simplere modeller har flere fordele i forhold til større modeller. For én ting, de tager meget mindre computertid at køre (nogle store modeller tager dage eller uger at køre, selv på supercomputere). Mindre modeller kan køres mere eller mindre i realtid for at studere eksisterende forhold og begivenheder, mens de stadig opstår. De er også relativt nemme at ændre for at teste konkurrerende videnskabelige hypoteser.

På minussiden, Messiés nuværende model er kun designet til at simulere forhold over en hel opgangssæson (forår og sommer i det centrale Californien). Ud over, den kan ikke identificere hotspots, der dannes på grund af andre nitratkilder end lokal opstrømning. (Bugten af ​​Farallones, lige ud for San Francisco Bay, kan være sådan et sted).

Messié, Chavez, og flere samarbejdspartnere ved University of California, Santa Cruz, modtog for nylig $700, 000, treårig bevilling fra NASA til at forlænge den eksisterende model, så den kan spore eller forudsige udviklingen af ​​hotspots måned for måned.

De håber også at finde ud af, hvor godt deres modellerede zooplankton-hotspots passer til kendte hotspots for hvaler og havfugle. Hvis svaret er "meget godt", kan modellen måske bruges til at forudsige, hvor hvaler og havfugle samler sig på forskellige tidspunkter af året. Dette kunne hjælpe forskere, der studerer dyrene og bevaringsgrupper i håb om at beskytte dem, for ikke at nævne medlemmer af offentligheden, der ønsker at kende de bedste tidspunkter og steder for at se dyrelivet.

Messié og Chavez' seneste papir viser, at selv i computermodeller, små kan nogle gange være smukke.