Robotic floats giver et nyt kig på havets sundhed og den globale kulstofcyklus

Mikroskopisk havliv spiller en grundlæggende rolle for havets sundhed og, ultimativt, Planeten. Ligesom planter på land, lille planteplankton bruger fotosyntese til at forbruge kuldioxid og omdanne det til organisk stof og ilt. Denne biologiske transformation er kendt som marin primær produktivitet.

I en ny undersøgelse i Naturgeovidenskab i dag, MBARI Seniorforsker Ken Johnson og tidligere MBARI postdoktor Mariana Bif demonstrerede, hvordan en flåde af robotflåd kunne revolutionere vores forståelse af primær produktivitet i havet på global skala.

Data indsamlet af disse flydere vil give forskere mulighed for mere præcist at estimere, hvordan kulstof strømmer fra atmosfæren til havet og kaste nyt lys over den globale kulstofcyklus. Ændringer i planteplanktonproduktivitet kan have dybtgående konsekvenser, som at påvirke havets evne til at lagre kulstof og ændre havets madbaner. I lyset af et ændret klima, forståelse af havets rolle i at tage kulstof ud af atmosfæren og opbevare det i lange perioder er bydende nødvendigt.

"Baseret på ufuldkomne computermodeller, vi har forudsagt, at primærproduktion ved havets fytoplankton vil falde i et varmere hav, men vi havde ikke en måde at foretage målinger på globalt plan for at verificere modeller. Nu gør vi, "sagde MBARI Seniorforsker Ken Johnson.

Ved at omdanne kuldioxid til organisk stof, planteplankton understøtter ikke kun oceaniske madbaner, de er det første trin i havets biologiske kulstofpumpe.

Fytoplankton forbruger kuldioxid fra atmosfæren og bruger det til at bygge deres kroppe. Havorganismer spiser disse planteplankton, dø, og derefter synke til den dybe havbund. Dette organiske kulstof respireres gradvist af bakterier til kuldioxid. Da meget af dette sker på store dybder, kulstof holdes væk fra atmosfæren i lange perioder. Denne proces opsamler kulstof i dybhavsmasser og sedimenter og er en afgørende komponent i modelleringen af ​​Jordens klima nu og i fremtiden.

Marin primær produktivitet ebber og flyder som reaktion på ændringer i vores klimasystem. "Vi kan forvente, at den globale primære produktivitet ændrer sig med et opvarmende klima, "forklarede Johnson." Det kan gå op nogle steder, ned i andre, men vi har ikke et godt greb om, hvordan disse vil balancere. "Overvågning af primær produktivitet er afgørende for at forstå vores forandrede klima, men at observere svaret på global skala har været et betydeligt problem.

Direkte måling af produktiviteten i havet kræver indsamling og analyse af prøver. Begrænsninger i ressourcer og menneskelig indsats gør direkte observationer på globalt plan med sæsonbestemt til årlig opløsning udfordrende og omkostningsforbrydende. I stedet, fjernmåling med satellitter eller computergenererede cirkulationsmodeller tilbyder den nødvendige rumlige og tidsmæssige opløsning. "Satellitter kan bruges til at lave globale kort over primær produktivitet, men værdierne er baseret på modeller og er ikke direkte målinger, "advarede Johnson.

"Forskere anslår, at omkring halvdelen af ​​Jordens primære produktivitet sker i havet, men sparsomme målinger kunne ikke give os et pålideligt globalt skøn for havet endnu, "tilføjede Mariana Bif, en biogeokemisk oceanograf og en tidligere postdoktor ved MBARI. Nu, forskere har et nyt alternativ til at studere havets produktivitet - tusinder af autonome robotter, der driver rundt i havet.

Disse robotter giver forskere et indblik i marinens primære produktivitet på tværs af området, dybde, og tid. De ændrer dramatisk vores evne til at estimere, hvor meget kulstof det globale hav akkumulerer hvert år. For eksempel, Det Indiske Ocean og midten af ​​det sydlige Stillehav er områder, hvor forskere har meget få oplysninger om primær produktivitet. Men dette ændrede sig med udbredelsen af ​​Biogeochemical-Argo (BGC-Argo) floats over hele kloden.

"Dette arbejde repræsenterer en vigtig milepæl i indsamling af havdata, "understregede Bif." Det demonstrerer, hvor mange data vi kan indsamle fra havet uden egentlig at gå derhen. "

BGC-Argo profileringsflådene måler temperatur, saltindhold, ilt, pH, klorofyl, og næringsstoffer. Når forskere først implementerer en BGC-Argo float, det synker til 1, 000 meter (3, 300 fod) dybt og driver på denne dybde. Derefter, dens autonome programmering går i gang med at profilere vandsøjlen. Flåden falder til 2, 000 meter (6, 600 fod), stiger derefter op til overfladen. En gang på overfladen, flyderen kommunikerer med en satellit for at sende sine data til forskere på land. Denne cyklus gentages derefter hver 10. dag.

I det sidste årti har en stigende flåde af BGC-Argo floats har foretaget målinger over det globale hav. Flådene fanger tusindvis af profiler hvert år. Denne mængde data gav Johnson og Bif spredte målinger af ilt over tid.

At kende mønsteret for iltproduktion tillod Johnson og Bif at beregne primær nettoproduktivitet på global skala.

Under fotosyntesen, planteplankton forbruger kuldioxid og frigiver ilt i et bestemt forhold. Ved at måle, hvor meget ilt fytoplankton frigives over tid, forskere kan estimere, hvor meget kulstofplanteplankton der produceres, og hvor meget kuldioxid de forbruger. "Ilt stiger om dagen på grund af fotosyntese, nede om natten på grund af åndedræt - hvis du kan få den daglige iltcyklus, du har en måling af primær produktivitet, "forklarede Johnson. Selvom dette er et velkendt mønster, dette arbejde repræsenterer første gang, at det er blevet kvantitativt målt af instrumenter på global skala frem for at blive estimeret gennem modellering og andre værktøjer.

Men profilering af floats prøver kun en gang hver 10. dag, og Johnson og Bif havde brug for flere målinger på en dag for at få en daglig cyklus. En ny tilgang til analyse af float -data gav Johnson og Bif mulighed for at beregne havets primære produktivitet. Hver profilering flyder op på et andet tidspunkt på dagen, ved at kombinere data fra 300 floats og prøver fra forskellige tidspunkter af døgnet fik Johnson og Bif mulighed for at genskabe den daglige iltcyklus, der går op og ned og derefter beregner den primære produktivitet.

For at bekræfte nøjagtigheden af ​​de primære produktivitetsestimater beregnet ud fra BGC-Argo floats, Johnson og Bif sammenlignede deres float-data med skibsbaserede samplingsdata i to regioner-Hawaii Ocean Time-series (HOT) Station og Bermuda Atlantic Time-series Station (BATS). De data, der blev indhentet fra profileringsflådene i nærheden af ​​disse regioner, gav lignende resultater som månedlig prøveudtagning fra skibe på disse to steder i mange år.

Johnson og Bif fandt ud af, at planteplankton producerede omkring 53 petagrammer kulstof om året. Denne måling var tæt på de 52 petagrammer af kulstof om året estimeret af de seneste computermodeller. (Et petagram er 1, 000, 000, 000, 000 kilo, eller en gigaton, og nogenlunde ækvivalent med vægten af ​​200 millioner elefanter.) Denne undersøgelse validerede nylige biogeokemiske modeller og fremhævede, hvor robuste disse modeller er blevet.

Højopløselige data fra BGC-Argo-flyderne kan hjælpe forskere med bedre at kalibrere computermodeller til at simulere produktivitet og sikre, at de repræsenterer virkelige havforhold. Disse nye data vil give forskere mulighed for bedre at forudsige, hvordan marine primære produktivitet vil reagere på ændringer i havet ved at simulere forskellige scenarier som f.eks. Opvarmningstemperaturer, ændringer i væksten af ​​planteplankton, forsuring af havet, og ændringer i næringsstoffer. Efterhånden som flere flydere indsættes, Johnson og Bif forventer, at resultaterne af deres undersøgelse kan opdateres, faldende usikkerhed.

"Vi kan endnu ikke sige, om der er ændringer i havets primære produktivitet, fordi vores tidsserier er for korte, "advarede Bif." Men den fastlægger en aktuel grundlinje, hvorfra vi kan opdage fremtidige ændringer. Vi håber, at vores skøn vil blive indarbejdet i modeller, herunder dem, der bruges til satellitter, for at forbedre deres præstationer. "

Men allerede, mængden af ​​data fra disse floats har vist sig uvurderlig for at forbedre vores forståelse af havets primære produktivitet og hvordan Jordens klima er knyttet til havet.

BGC-Argo-flyderne har været medvirkende til det sydlige havs kulstof- og klimaobservations- og modelleringsprojekt (SOCCOM), et NSF-sponsoreret program fokuseret på at låse op for mysterierne i det sydlige hav og bestemme dets indflydelse på klimaet. Og sidste år markerede debut af projektet Global Ocean Biogeochemistry Array (GO-BGC Array), som gør det muligt for forskere at forfølge grundlæggende spørgsmål om havøkosystemer, observere økosystemets sundhed og produktivitet, og overvåge elementære cyklusser af kulstof, ilt, og nitrogen i havet gennem alle årstider.

Oplysningerne indsamlet af disse globale globale initiativer indeholder data, der er vigtige for at forbedre computermodeller for havfiskeri og klima og overvåge og forudsige virkningerne af havopvarmning og havforsuring på havlivet.