Sporing af kulstof fra havoverfladen til tusmørkezonen

En rejse mod havet, støttet af både NASA og National Science Foundation, sejlede i det nordlige Atlanterhav i begyndelsen af ​​maj - efterfølgeren til en supplerende ekspedition, medfinansieret af NSF, der fandt sted i det nordlige Stillehav i 2018.

Indsættelsen af ​​NASAs oceanografiske feltkampagne i 2021, kaldet Export Processes in the Ocean fra Remote Sensing (EXPORTS), består af 150 videnskabsmænd og besætning fra mere end 30 statslige, universiteter og private ikke-statslige institutioner. Holdet er spredt på tre oceanografiske forskningsfartøjer, som vil mødes i internationalt farvand vest for Irland over den undersøiske Porcupine Abyssal-sletten. Gennem hele feltkampagnen, videnskabsmænd vil indsætte en række instrumenter fra de tre skibe:RRS James Cook og RRS Discovery, drives af National Oceanography Center i Southampton, Storbritannien, plus et tredje fartøj chartret af Ocean Twilight Zone-projektet af Woods Hole Oceanographic Institution og drevet af Marine Technology Unit i Vigo, Spanien. I alt 52 højteknologiske platforme, herunder flere selvkørende køretøjer, vil tage målinger og løbende indsamle data.

Meget af videnskaben fokuserer på havets rolle i det globale kulstofkredsløb. Gennem kemiske og biologiske processer, havet fjerner lige så meget kulstof fra atmosfæren som alt planteliv på land. Forskere håber på yderligere at udforske mekanismerne bag havets biologiske pumpe - den proces, hvorved kulstof fra atmosfæren og overfladehavet er sekvestreret på lang sigt i det dybe hav. Denne proces involverer mikroskopiske plantelignende organismer kaldet fytoplankton, som gennemgår fotosyntese ligesom planter på land og kan ses fra rummet ved at observere ændringer i havets farve. Deres produktivitet har en betydelig indflydelse på Jordens kulstofkredsløb, hvilket så igen påvirker Jordens klima.

"Dette er den første omfattende undersøgelse af havets biologiske kulstofpumpe siden Joint Global Ocean Flux-undersøgelsen i 1980'erne og halvfemserne, " sagde EXPORTS videnskabsleder David Siegel fra University of California, Santa Barbara. "I mellemtiden, vi har fået avancerede mikroskopiske billedværktøjer, genomik, robuste kemiske og optiske sensorer og autonome robotter - en masse ting, som vi ikke havde dengang, så vi kan stille meget sværere og meget vigtigere spørgsmål." Disse spørgsmål omfatter, hvor meget organisk kulstof der forlader overfladehavet, og hvilken vej tager den, når den går til dybet, hvor den kan blive sekvestreret i lange perioder, fra årtier til tusinder af år.

Forskere kender til tre store veje, der transporterer kulstof fra atmosfæren og det øvre hav til den mørke "tusmørkezone", der ligger 1, 640 fod (500 m) eller mere under overfladen:1) fysisk havblanding og cirkulation kan transportere suspenderet organisk materiale dybt ned i havets indre, 2) partikler kan synke på grund af tyngdekraften, ofte efter at have passeret gennem organismers tarme, og 3) daglige lodrette migrationer af dyr, der pendler mellem øvre og nedre havniveauer, bringer kulstof med på turen.

EKSPORT har til formål at bestemme, hvor meget kulstof der transporteres af hver af disse veje ved at observere kulstofpumpen i to meget forskellige havøkosystemer med varierende forhold. Forskerne valgte det nordlige Stillehav og det nordlige Atlanterhav, fordi de befinder sig i den modsatte ende af produktivitetsspektret (dvs. fotosyntesehastigheder) og oplever to modsatrettede ekstremer af fysiske processer såsom hvirvler og strømme. At studere kontrasterende miljøer vil give den maksimale indsigt i modellering af fremtidige klimascenarier.

Ifølge Ivona Cetinić, projektforsker og oceanograf ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, det nordlige Stillehav er beslægtet med en ørken eller "simpel eng" på land. Det er lavt i næringsstoffer, i dette tilfælde jern nødvendigt til fotosyntese, og oplevelser blandt de færreste hvirvelstrømme, der findes i de globale oceaner. Derfor, kulstoftransport til det dybe hav drives primært af små dyr, kaldet zooplankton, indtage mikroskopisk plantelignende planteplankton og derefter udskille det fordøjede kulstof til dybderne nedenfor.

Planteplanktondrift i det øvre, solbeskinnede lag af havet, hvor de kan omdanne kuldioxid, der kommer fra atmosfæren, til organisk kulstof. Når forholdene er rigtige, som det ofte er tilfældet i den nordatlantiske region på denne tid af året, Planteplanktonpopulationer vokser eller "blomstrer" så hurtigt, at de kan ses fra rummet.

Nordatlanten har også stærke strømme, der står i kontrast til det nordlige Stillehavs langsommere vand. Sammen med dem, Siegel siger, at de forventer mindst fire dage med hårdt vejr under den månedlange ekspedition.

Men EKSPORT-data gælder ikke kun for havet – det vil også blive brugt til at forbedre satellitteknologien. Cetinić arbejder med adskillige optiske målinger, der kommer fra havfarvesatellitter, som måler lys reflekteret fra havoverfladen i dele af det synlige spektrum, hvad vi kender som regnbuens farver. Disse giver indsigt såsom målinger af havets temperatur, saltholdighed, kulstof og koncentrationer af et grønt pigment kaldet klorofyl. Imidlertid, de forskellige arter af fytoplankton, der optager forskellige dele af økosystemet og kulstofkredsløbet, producerer forskellige mængder og nuancer af grøn klorofyl, skabe nuancer i havfarve, som nuværende havfarvesatellitter ikke kan "se".

Blandt de instrumenter, der anvendes under EKSPORT, er meget raffineret, og i nogle tilfælde eksperimentelle, optiske instrumenter til at måle havfarve, der er beslægtet med instrumenter, der vil være ombord på fremtidige NASA-satellitter. Forskere vil kombinere disse satellitsimulerende målinger med de detaljerede observationer af overfladefytoplanktonsamfundet - gennem genomik, billedanalyse eller pigmentsammensætning - samt viden om deres fysiologi for at gøre det muligt for satellitter at detektere oceanisk diversitet og i sidste ende deres rolle i det oceaniske kulstofkredsløb.

Den næste generation af disse satellitter, NASAs plankton, Aerosol, Sky, ocean Ecosystem (PACE) mission, vil være hyperspektral, hvilket betyder, at den vil være i stand til at indsamle data på tværs af hele det synlige spektrum, og fange information ud over den synlige del, herunder ultraviolet og kortbølget infrarød.

"Det, vi ser, mens vi er på jorden, giver os en forståelse af, hvilken slags information vi bliver nødt til at se fra rummet for at fange de kritiske processer, vi gerne vil være i stand til bedre at forstå, " sagde Cetinić. "Det driver udviklingen af ​​den rumbaserede teknologi. Til gengæld, data, der kommer fra de nye jordobservationssatellitter, giver mulighed for videnskabsmænd, såsom dem, der deltager i EKSPORT, at gå og finde anden afgørende information eller udvikle nye teknikker til at supplere den nuværende, eller endda inspirere en ny, Jordobservationssatellit. Dette evige samspil mellem teknologi og videnskab, i sidste ende gavner hele menneskeheden."

Efter feltarbejdets kampagne, en ekstra fase af EKSPORT vil fokusere på at bruge data indsamlet fra Atlanterhavet og Stillehavet til at forudsige, hvordan kulstoftransportvejene kan se ud i fremtidige oceaner.

"Det, vi i øjeblikket ved, er begrænset til, hvad der sker i havene i dag, " sagde Siegel. "Med de igangværende klima-drevne ændringer, set ikke kun i havet, men på tværs af jordsystemerne, vi skal være i stand til at forudsige, hvad der kommer til at ske i 2075, og vi har endnu ikke den forudsigende forståelse."

Fordi så mange egenskaber ved en enkelt skive af havet vil blive målt på samme tid, eksisterende computermodeller vil have et rigt og mere komplet datasæt, der skildrer kulstofpumpen, som man kan basere fremskrivninger af, hvad der kan ske i den nærmeste fremtid dybere nede i havet – og hvad virkningerne kan være på kulstofkredsløbet.

"Det er så godt et datasæt, at det kommer til at give næring til forskningen i de kommende årtier, " sagde Cetinić.

Både PACE og EXPORTS oplevede forsinkelser på grund af COVID-19-pandemien. Nu, at sikre sikkerheden og trygheden for alle involverede personer, en to-ugers karantæne var påkrævet, før der blev vedtaget protokoller om sejlads og social distancering i den første uge ombord på skibene. Siegel siger, at teammedlemmernes mangfoldighed og dedikation, den enestående støtte fra U.K.'s National Oceanography Center for at sikre, at skibene og besætningen er klar og sikker til at sejle, det vedvarende engagement fra NASAs hovedkvarter, og en stor lykke er grunden til, at kampagnen stadig kan fortsætte i år.