Forskere kaster sig ud i havets skumringszone for at udforske økosystemets kulstofstrøm

Et stort tværfagligt team af forskere, udstyret med avanceret undervandsrobotik og en række analytiske instrumenter, vil sejle mod det nordøstlige Stillehav til august. Holdets mission for NASA og National Science Foundation (NSF) er at studere liv og død af de små organismer, der spiller en afgørende rolle i at fjerne kuldioxid fra atmosfæren og i havets kulstofkredsløb.

Mere end 100 videnskabsmænd og besætning fra mere end 20 forskningsinstitutioner vil tage af sted fra Seattle til NASAs oceanografiske kampagne for eksportprocesser i havet fra fjernmåling (EXPORTS). EXPORTS er den første koordinerede tværfaglige videnskabelige kampagne af sin art til at studere skæbner og kulstofkredsløbspåvirkninger af mikroskopisk plankton ved hjælp af to forskningsfartøjer og adskillige undervandsrobotplatforme.

Forskningsfartøjerne, R/V Revelle og R/V Sally Ride, drives af Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego, vil sejle vestpå 200 miles ud i det åbne hav. Fra disse søbårne laboratorier, forskere vil udforske planktonet, samt havets kemiske og fysiske egenskaber fra overfladen til en halv mil nede i skumringszonen, et område med lidt eller intet sollys, hvor kulstoffet fra planktonet kan bindes, eller holdes ude af atmosfæren, i perioder fra årtier til tusinder af år.

"Ved at bruge to skibe vil vi være i stand til at observere komplekse oceanografiske processer, der varierer både i rum og tid, som vi ikke ville være i stand til at fange med et enkelt skib, " sagde Paula Bontempi, programleder for havbiologi og biogeokemi ved NASAs hovedkvarter.

Planteplankton er små, plantelignende organismer, der lever i det solbeskinnede øvre hav. De bruger sollys og opløst kuldioxid, der kommer ind i det øvre hav fra atmosfæren til at vokse gennem fotosyntese, hvilket er en måde, havets organismer kredser kulstof på. Som primære producenter, fytoplankton spiller en vigtig rolle i at fjerne atmosfærisk kuldioxid og producere ilt. Når planteplankton indtages af plankton eller dør, deres rester synker, og en del af deres kulstof eksporteres til dybden.

Mens de vigtigste eksportveje for, hvordan kulstof bevæger sig gennem havet, er kendt, størrelsen af ​​kulstofstrømmene i de forskellige oceaniske veje og deres afhængighed af økosystemets karakteristika er dårligt kendt. Forskere på EXPORTS-teamet undersøger, hvor meget kulstof, der bevæger sig gennem havet inden for det øverste solbeskinnede lag og ind i tusmørkezonen, og hvordan havets økologiske processer påvirker kulstofskæbne og -binding. Disse oplysninger er nødvendige for at forudsige, hvor meget kulstof, der vil cykle tilbage til atmosfæren over hvilken tidsskala, eller hvor meget kulstof der eksporteres til havets dybder.

"Det kulstof, mennesker putter i atmosfæren, opvarmer jorden, " siger Mike Sieracki, programdirektør i National Science Foundations afdeling for havvidenskab. "Meget af det kulstof finder til sidst vej ud i havet og transporteres til det dybe hav, hvor det er sekvestreret og ikke vil vende tilbage til atmosfæren i lang tid. Dette projekt vil hjælpe os med at forstå de biologiske og kemiske processer, der fjerner kulstoffet, og etablere et grundlag for at overvåge disse processer i takt med klimaændringer."

Syv år undervejs, 2018-kampagnen har været et kæmpe arbejde, sagde David Siegel, EKSPORTER videnskabsleder fra University of California, Santa Barbara.

"Effekten, som EKSPORT-dataene vil have for at forstå, hvordan vores planet ændrer sig, vil være betydelig, " sagde Siegel. "NASAs havfarvesatellitregistrering viser os, at disse økosystemer er meget følsomme over for klimavariationer. Ændringer i fytoplanktonpopulationer påvirker det marine fødenet, da phytoplankton spises af mange dyrearter, store og små. Indsatsen er høj."

Den langsigtede fjernelse af organisk kulstof fra atmosfæren til havets dybder er kendt som den biologiske pumpe, som opererer gennem tre hovedprocesser. Først, kulstoffyldte partikler fra havets overflade synker gennem tyngdekraften, som det sker med dødt planteplankton eller afføring produceret af små dyr kaldet zooplankton. Sekund, zooplankton migrerer dagligt tæt på havets overflade for at spise fytoplankton og vende tilbage til tusmørkezonen om natten. Tredje, fysiske processer i havet, såsom den store globale væltende cirkulation af havene og mindre turbulente hvirvler, transportere suspenderet og opløst kulstof til store dybder.

NASAs satellitter giver en række målinger af havets øverste lag, såsom temperatur, saltholdighed og koncentrationen af ​​et pigment, der findes i alle planter kaldet klorofyl. EKSPORT vil levere data om fytoplanktons og planktons rolle i den biologiske pumpe og eksporten af ​​kulstof, information, der er vigtig for planlægning af observationer og teknologier, der er nødvendige for fremtidige jordobservationssatellitmissioner.

"Vi har designet EKSPORT til samtidig at observere de tre grundlæggende mekanismer, hvorved kulstof eksporteres fra det øvre hav til dybden, " sagde Siegel. "Vi forsøger at forstå bedre biologien og økologien af ​​fytoplankton i overfladevandet, hvordan disse egenskaber driver transporten af ​​kulstof til tusmørkezonen, og så hvad sker der med kulstoffet i det dybere vand."

Blandt de mange teknologier, der bruges, er en autonom platform kaldet en "Wirewalker", der bruger bølgeenergi til at flytte instrumenter langs en stram ledning fra overfladen til 1, 600 fod (500 meter) i dybden, mens man måler temperatur, saltholdighed, ilt, kulstof, og klorofylkoncentration.

Et 6,5 fod langt (2 meter langt) fjernstyret undervandsfartøj kaldet Seaglider vil indsamle lignende mål, men i dybder så meget som 3, 200 fod (1, 000 meter.)

Om bord på skibet, prøver vil blive indsamlet til genomiske sekventører for at vurdere sammensætningen af ​​fytoplanktonet, zooplankton, bakterielle og arkæiske samfund.

Nye mikroskopiske billeddannelsesværktøjer vil også blive brugt af EXPORTS-forskere, inklusive et højkapacitetsmikroskop kaldet Imaging FlowCytobot, der giver realtid, billeder i høj opløsning af milliarder af individuelt planteplankton. Underwater Vision Profiler vil måle størrelsen af ​​synkende tilslagspartikler og indsamle billeder af zooplanktonorganismer.

Monteret på skibets overbygning vil der være optiske instrumenter, der vil måle havets farve ved meget høj spektral opløsning, fra de ultraviolette bølgelængder til de kortbølgede infrarøde bånd i det elektromagnetiske spektrum. Planteplankton har distinkte spektrale "signaturer" - farver af lys, de absorberer og spreder. Ved at identificere disse signaturer vil videnskabsmænd være i stand til at udvikle algoritmer til fremtidige satellit-havfarvemissioner såsom NASAs Plankton, Aerosol, Sky, ocean Ecosystem (PACE) mission. Fra rummet, PACE vil bruge lignende optiske instrumenter til at skelne typen og mængden af ​​fytoplankton til stede i havet.

"Det, vi vil lære af EKSPORT, vil give os en dybere forståelse af, hvordan planktonarter og andre mikroorganismer såsom bakterier interagerer med deres miljø, " sagde Bontempi. "Ikke kun vil vi være i stand til at bruge denne information til at udvikle nye tilgange til at identificere og kvantificere planktonarter fra rummet, vi vil være i stand til at forudsige, hvor meget kulstof der vil cykle tilbage til atmosfæren, og hvor meget der vil blive transporteret til havets dybder på lang sigt."