• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Naturen
    Robotflottor ger ett nytt blick på havets hälsa och den globala koldioxidcykeln

    MBARI-forskare visade att en flotta av robotflottor kunde ge viktig insikt om havets primära produktivitet på global skala. Data från dessa flottörer kan användas för att förbättra datormodellering av jordens kolcykel, klimatförändringar, och havets hälsa. Kredit:Natalie Freeman © 2019 SOCCOM

    Mikroskopiskt marint liv spelar en grundläggande roll för havets hälsa och, i sista hand, planeten. Precis som växter på land, litet växtplankton använder fotosyntes för att konsumera koldioxid och omvandla det till organiskt material och syre. Denna biologiska omvandling är känd som marin primär produktivitet.

    I en ny studie i Naturgeovetenskap i dag, MBARI Senior Scientist Ken Johnson och före detta MBARI postdoktor Mariana Bif visade hur en flotta av robotflottor skulle kunna revolutionera vår förståelse av primär produktivitet i havet på global nivå.

    Data som samlas in av dessa flottörer kommer att göra det möjligt för forskare att mer exakt uppskatta hur kol flyter från atmosfären till havet och kasta nytt ljus över den globala kolscykeln. Förändringar i växtplanktonproduktiviteten kan få djupgående konsekvenser, som att påverka havets förmåga att lagra kol och förändra havsmatväv. Inför ett förändrat klimat, Att förstå havets roll när det gäller att ta kol ur atmosfären och lagra det under långa perioder är absolut nödvändigt.

    "Baserat på ofullkomliga datormodeller, vi har förutspått att primärproduktion av marint växtplankton kommer att minska i ett varmare hav, men vi hade inte ett sätt att göra globala mätningar för att verifiera modeller. Nu gör vi, " sa MBARI seniorforskare Ken Johnson.

    Genom att omvandla koldioxid till organiskt material, växtplankton stöder inte bara oceaniska näringsnät, de är det första steget i havets biologiska kolpump.

    Växtplankton förbrukar koldioxid från atmosfären och använder den för att bygga upp sina kroppar. Marina organismer äter dessa växtplankton, dö, och sjunka sedan till den djupa havsbotten. Detta organiska kol andas gradvis av bakterier till koldioxid. Eftersom mycket av detta händer på stora djup, kol hålls borta från atmosfären under långa perioder. Denna process binder kol i djuphavsvattenmassor och sediment och är en avgörande komponent för att modellera jordens klimat nu och i framtiden.

    Den marina primära produktiviteten ebbar ut och flödar som svar på förändringar i vårt klimatsystem. "Vi kan förvänta oss att den globala primära produktiviteten kommer att förändras med ett värmande klimat, " förklarade Johnson. "Det kan gå upp på vissa ställen, ner i andra, men vi har inte ett bra grepp om hur de kommer att balansera." Att övervaka primär produktivitet är avgörande för att förstå vårt föränderliga klimat, men att observera responsen på global skala har varit ett betydande problem.

    Att direkt mäta produktiviteten i havet kräver insamling och analys av prover. Begränsningar i resurser och mänskliga ansträngningar gör direkta observationer på global skala med säsongsbetonad till årlig upplösning utmanande och kostnadskrävande. Istället, fjärranalys av satelliter eller datorgenererade cirkulationsmodeller erbjuder den rumsliga och tidsmässiga upplösningen som krävs. "Satelliter kan användas för att göra globala kartor över primär produktivitet, men värdena är baserade på modeller och är inte direkta mätningar, " varnade Johnson.

    "Forskare uppskattar att ungefär hälften av jordens primära produktivitet sker i havet, men de sparsamma mätningarna kunde inte ge oss en tillförlitlig global uppskattning för havet ännu, " lade Mariana Bif till, en biogeokemisk oceanograf och en före detta postdoktor vid MBARI. Nu, forskare har ett nytt alternativ för att studera havsproduktivitet - tusentals autonoma robotar som driver genom havet.

    Dessa robotar ger forskare en inblick i marin primärproduktivitet över hela området, djup, och tid. De förändrar dramatiskt vår förmåga att uppskatta hur mycket kol det globala havet ackumulerar varje år. Till exempel, Indiska oceanen och mitten av södra Stilla havet är regioner där forskarna har mycket lite information om primär produktivitet. Men detta förändrades med utplaceringen av Biogeochemical-Argo (BGC-Argo) floats över hela världen.

    "Detta arbete representerar en betydande milstolpe i datainsamling av hav, "betonade Bif." Det visar hur mycket data vi kan samla in från havet utan att faktiskt gå dit. "

    BGC-Argo profilerande flottörer mäter temperatur, salthalt, syre, pH, klorofyll, och näringsämnen. När forskare först distribuerar en BGC-Argo-flottör, det sjunker till 1, 000 meter (3, 300 fot) djupt och driver på detta djup. Sedan, dess autonoma programmering börjar arbeta med att profilera vattenpelaren. Flottan sjunker till 2, 000 meter (6, 600 fot), stiger sedan upp till ytan. Väl på ytan, flottören kommunicerar med en satellit för att skicka sin data till forskare på land. Denna cykel upprepas sedan var 10:e dag.

    Under det senaste decenniet, en ökande flotta av BGC-Argo-flottörer har gjort mätningar över det globala havet. Flottarna fångar tusentals profiler varje år. Denna mängd data gav Johnson och Bif spridda mätningar av syre över tiden.

    Att känna till mönstret för syreproduktion gjorde det möjligt för Johnson och Bif att beräkna primär nettoproduktivitet på global skala.

    Under fotosyntesen, växtplankton förbrukar koldioxid och släpper ut syre i ett visst förhållande. Genom att mäta hur mycket syre som växtplankton frigör över tid, forskare kan uppskatta hur mycket kol fytoplankton producerar och hur mycket koldioxid de förbrukar. "Syre ökar under dagen på grund av fotosyntes, ner på natten på grund av andning—om du kan få den dagliga cykeln av syre, du har ett mått på primär produktivitet, "förklarade Johnson. Även om detta är ett välkänt mönster, detta arbete är första gången som det har mätts kvantitativt av instrument på global skala snarare än uppskattat genom modellering och andra verktyg.

    Men profilering flyter bara prov en gång var tionde dag, och Johnson och Bif behövde flera mätningar på en dag för att få en daglig cykel. Ett nytt tillvägagångssätt för att analysera flottördata gjorde att Johnson och Bif kunde beräkna havets primära produktivitet. Med varje profileringsflott som kommer upp vid en annan tid på dagen, Genom att kombinera data från 300 flottörer och prover från olika tider på dygnet kunde Johnson och Bif återskapa den dagliga syrecykeln som går upp och ner och sedan beräkna primär produktivitet.

    För att bekräfta noggrannheten hos de primära produktivitetsuppskattningarna som beräknats från BGC-Argo-flottörerna, Johnson och Bif jämförde sina flottördata med fartygsbaserade samplingsdata i två regioner-Hawaii Ocean Time-series (HOT) Station och Bermuda Atlantic Time-series Station (BATS). Uppgifterna från profileringsflottorna nära dessa regioner gav liknande resultat som månatliga provtagningar från fartyg på dessa två platser under många år.

    Johnson och Bif fann att växtplankton producerade cirka 53 petagram av kol per år. Denna mätning var nära de 52 petagram kol per år som uppskattades av de senaste datormodellerna. (Ett petagram är 1, 000, 000, 000, 000 kg, eller en gigaton, och ungefär motsvarande vikten av 200 miljoner elefanter.) Denna studie validerade nyare biogeokemiska modeller och visade hur robusta dessa modeller har blivit.

    Högupplösta data från BGC-Argo-flottörerna kan hjälpa forskare att bättre kalibrera datormodeller för att simulera produktivitet och säkerställa att de representerar verkliga havsförhållanden. Dessa nya data kommer att göra det möjligt för forskare att bättre förutsäga hur marin primär produktivitet kommer att reagera på förändringar i havet genom att simulera olika scenarier som värmande temperaturer, förändringar i växtplanktontillväxt, havsförsurning, och förändringar i näringsämnen. När fler flottörer distribueras, Johnson och Bif förväntar sig att resultaten av deras studie kan uppdateras, minskande osäkerheter.

    "Vi kan ännu inte säga om det sker förändringar i havets primära produktivitet eftersom våra tidsserier är för korta, " varnade Bif. "Men det etablerar en aktuell baslinje från vilken vi kan upptäcka framtida förändringar. Vi hoppas att våra uppskattningar kommer att införlivas i modeller, inklusive de som används för satelliter, att förbättra sina prestationer."

    Men redan, mängden data från dessa flöten har visat sig vara ovärderlig för att förbättra vår förståelse av marin primär produktivitet och hur jordens klimat är kopplat till havet.

    BGC-Argo-flotterna har varit avgörande för Southern Ocean Carbon and Climate Observations and Modeling-projektet (SOCCOM), ett NSF-sponsrat program fokuserat på att låsa upp södra havets mysterier och bestämma dess inflytande på klimatet. Och förra året markerade debuten för projektet Global Ocean Biogeochemistry Array (GO-BGC Array), som gör det möjligt för forskare att driva grundläggande frågor om havsekosystem, observera ekosystemets hälsa och produktivitet, och övervaka kolets elementarcykler, syre, och kväve i havet under alla årstider.

    Informationen som samlats in av dessa globala samarbetsinitiativ tillhandahåller data som är väsentliga för att förbättra datormodeller av havsfiske och klimat och för att övervaka och förutsäga effekterna av havsuppvärmningen och havsförsurningen på livet i havet.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com