Hvordan påvirker klimaændringer havets vand og økosystemer?

Den biologiske oceanograf Hugh Ducklow studerer det marine fødenet, og hvordan det interagerer med havenes fysiske egenskaber. Meget af hans arbejde er gennem U.S. Long Term Ecological Research Program (LTER), hvor forskere i årtier har undersøgt tendenser på tværs af 28 land- og havområder i USA, sammen med et par steder andre steder. Ud over det åbne hav omfatter undersøgelser ørkener, kyster, floder, skove og græsarealer. Fra 2012 til 2018, mens han var baseret på Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, ledede Ducklow Palmer Station LTER-stedet, basen for årlige krydstogter gennem 800 kilometer iskolt vand ud for den antarktiske halvø.

For at markere 40-års jubilæet for LTER-programmet har forskere netop offentliggjort en række artikler om, hvordan klimaændringer påvirker deres websteder. Ducklow ledede sektionen om åbne havmiljøer, som ud over Antarktis spænder over farvande ud for Alaska, Californien og det nordøstlige USA. Vi talte med ham om arbejdet, hans og kollegers observationer og udsigter for fremtiden.

Hvorfor skal vi bekymre os om, hvad klimaændringer gør ved havene?

Udover det faktum, at fisk og skaldyr udgør den vigtigste proteinkilde for omkring 3 milliarder mennesker, opsuger havet en stor mængde overskydende varme og menneskeskabt kuldioxid. Omkring 90 procent af al den overskydende varme, der er produceret af drivhuseffekten siden den industrielle revolution, er i havet. Det globale hav har også optaget omkring en fjerdedel til en tredjedel af vores kuldioxidemissioner. Begge disse processer holder lufttemperaturerne køligere, end de ellers ville være. Men de kommer begge med omkostninger. Havet opvarmes som følge af tilført varme. Det menneskeskabte opvarmningssignal kan endda spores i det dybe sydlige Ocean. Øget kuldioxidoptagelse forårsager havforsuring. De økologiske konsekvenser af opvarmning og forsuring er lige begyndt at blive forstået, og den fremtidige kapacitet til fortsat at lagre varme og CO₂ er ikke sikker.

Hvad er nogle af de fysiske virkninger af klima på havvandene, og hvor ser vi dem stærkest?

Som jeg sagde, opvarmes havene, men opvarmningen og dens virkninger er ikke ensartede i rum eller tid. Det fysiske systems reaktioner på klimaændringer er stærkest og mest tydelige lige ved overfladen. Dette er vigtigt, fordi varme og CO₂ udveksles der, og fordi planteplankton vokser der. Afhængig af vind, storme og strømme vil overfladelaget variere i dybden fra næsten nul om sommeren til over 1.000 meter om vinteren. Temperaturen påvirker dybden af ​​overfladelaget, og hvis der er tale om polare steder, gør havisen det også. Nær polerne om vinteren er der ringe eller ingen solbestråling, og havis dækker havet. Om foråret, når solen står op, varmes overfladehavet op, og havis smelter, hvilket tilføjer ferskvand til overfladen. Varmere, friskere vand er mindre tæt end køligere, saltere vand, og overfladelaget er derfor lavt.

Dybden af ​​det blandede overfladelag bliver mere lavvandet på de fleste steder i LTER-netværket - Palmer Antarktis, den nordøstlige amerikanske kontinentalsokkel og den nordlige Alaskabugt. Der er dog ingen ændring i Californien-strømmen på trods af en ubrudt rekord af observationer siden 1950 og opvarmende vandtemperatur.

Hvilke biologiske ændringer finder sted? Kan vi koble dem tydeligt til klimatendenser?

Dybden af ​​havoverfladelaget styrer hastigheden af ​​fytoplanktonvækst. Når overfladelaget er lavvandet, tilbageholdes fytoplankton i sollys, men mangler adgang til næringsstoffer. Når overfladelaget er dybt, kan planteplankton få adgang til næringsstoffer, men sollys er svagt eller fraværende. Tendenser i fytoplankton er blevet dokumenteret i nogle, men ikke alle LTER-steder. Fytoplankton er de eneste organismer, der kan påvises af satellit, men tendenser i deres overflod er ikke så tydelige som de fysiske ændringer, jeg lige har beskrevet. Beviser for fytoplankton er stigende i Antarktis, som forventet i et lavvandet overfladelag, men aftagende over den nordøstlige amerikanske kontinentalsokkel, på trods af lavvanding. Ingen ændringer er tydelige på de andre websteder. Zooplankton viser stigende tendenser i Antarktis, som forventet fra stigende fytoplankton. De er også stigende i California Current-systemet, selvom fytoplankton ikke er det.

Selvom der er lange registreringer af ændringer i Californien-strømmen (70 år), den nordøstlige amerikanske sokkel (40 år) og Palmer Antarktis (30 år), er det stadig svært at sige med sikkerhed, at de er forårsaget af klimaændringer. Numeriske simuleringer af satellitbilleder tyder på, at omkring 50 år er den minimale tid, der kræves for at tilskrive observerede tendenser til klimaændringer. Nogle ændringer kan tage et århundrede eller længere.

Sker der ting i Antarktis, der adskiller det fra de andre regioner?

Et enkelt kendetegn ved arktiske og antarktiske have er, at de er dækket af havis. Men varigheden og omfanget af isdækket aftager, efterhånden som polarhavene bliver varme. Livscyklusserne for arktiske og antarktiske organismer som krill og havfugle er tilpasset sæsonbestemt isdække og kan blive forstyrret, når dækket aftager. Havisen blokerer sollys, hvilket påvirker tidspunktet for fytoplanktonopblomstring. Selvom havis aftager hurtigt ved begge poler, er virkningerne usikre. Efterhånden som havis aftager, åbnes nye, tidligere isdækkede områder for vækst af planteplankton, hvilket udvider det polare marine økosystem. Men efterhånden som dækket forsvinder, vil dets bidrag af ferskvand falde og mindske det friske lag ved havoverfladen. Nettopåvirkningen for det fremtidige økosystem er ikke klar.

Et andet kendetegn ved antarktiske økosystemer synes at være mangfoldigheden og tempoet i økologiske forandringer. Vi antager, at klimavariationer og -ændringer først påvirker fysiske egenskaber, og derefter forårsager de fysiske ændringer økologiske reaktioner. De økologiske reaktioner kan organiseres i dem, der starter med fytoplankton i bunden af ​​fødenettet, det vil sige bottom-up-reaktioner; og dem, der påvirker de øverste rovdyr som pingviner med ændringer, der risler ned gennem fødenettet, eller top-down reaktioner. I Antarktis ser vi ændringer i klimaet og de fysiske systemer og i hele fødenettet, fra kiselalger til krill til pingviner. Disse processer mødes i midten og konvergerer på krill.

Har vi observeret disse websteder længe nok til at få en god idé om, hvor tingene er på vej hen i fremtiden?

Hvor lang tid der skal til for at vide, hvor økosystemer er på vej, afhænger af, hvilke ændringer du er interesseret i. Det er nemmere at observere og dokumentere fysiske ændringer, fordi systemet kun består af varme, saltholdighed, strømme og opblanding – og fordi vi har gode instrumenter til at foretage præcisionsmålinger af disse variable. I modsætning hertil er dusinvis til hundredvis af forskellige målinger nødvendige for at karakterisere variabiliteten i biologiske reaktioner fra flere arter, og kun nogle få kan udtages og måles på afstand. Med nogle få vigtige undtagelser afhænger påvisning af ændringer for mange grupper af organismer stadig af, at individuelle videnskabsmænd og studerende foretager enkle, tidskrævende og kedelige en-for-en visuelle optællinger. Disse målinger er langsomt ved at blive automatiserede. Droner, skibsmonteret akustik, nedsænkelige digitale videokameraer og instrumenterede oceansvævefly er begyndt at skabe real-time, omfattende udsigter over havene. Havisen og isbjergene er stadig store forhindringer for at efterlade instrumenter uden opsyn hen over vinteren, så mange målinger er begrænset til isfri sommermåneder.

Hvad har været nogle af udfordringerne ved at arbejde uden for Antarktis?

Der er de åbenlyse udfordringer:planlægning af arbejde et fjerntliggende sted - rejsen tager syv dage fra dør til dør hver vej - og foregribe alt, hvad du måtte have brug for. Der er storme, åbent hav, isdække. Vi sad fast i isen i to uger i september 2001. Derefter forsyningskædeproblemer, rekruttering af personale og opretholdelse af en tidsserie af høj kvalitet af observationer og målinger gennem årtier. Arbejdet med at forberede sig til næste år starter bogstaveligt talt, før du tager afsted til skibet i år. Projektet er ikke blot tidsserien, men levende, udviklende videnskabelig forskning med forkerte sving, blindgyder og uventede opdagelser. På trods af udfordringerne er det en smuk og spændende arbejdsplads. + Udforsk yderligere

Opvarmning af havene kan tvinge New Zealands sperm og blåhvaler til at skifte til køligere sydlige farvande

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.