En rymdbaserad sensor som kan "se" genom dimma, moln och mörker har gett forskarna sin första kontinuerliga titt på boom-bust-cyklerna som driver polarplanktonsamhällen.

Den decennielånga uppsättningen av bilder avslöjar att växtplanktoncykler är mer bundna till push-pull-förhållandet mellan dem och deras rovdjur än vad man först trodde, enligt en studie publicerad i dag i tidskriften Naturgeovetenskap .

Växtplankton är grunden för havets näringsväv. Kommersiellt fiske, marina däggdjur och fåglar är alla beroende av blomningen, sa studiens huvudförfattare, Michael Behrenfeld, en expert på marin plankton vid Oregon State University College of Agricultural Sciences.

"Det är verkligen viktigt för oss att förstå vad som styr dessa boom-bust-cykler och hur de kan förändras i framtiden, " Behrenfeld sa, "eftersom dynamiken i planktonsamhällen har konsekvenser för alla andra organismer på nätet."

Växtplankton påverkar också jordens kolcykel. Genom fotosyntes, de absorberar en stor del av koldioxiden nära havets yta. Den där, i tur och ordning, tillåter koldioxid från atmosfären att gå ut i havet.

Det satellitmonterade LIDAR-instrumentet, kallad Cloud-Aerosol Lidar med ortogonal polarisation, eller CALIOP, använder en laserstråle för att kartlägga havets yta och omedelbara underyta. CALIOP övervakade plankton i de arktiska och antarktiska havsvattnen från 2006 till 2015.

CALIOPS mätningar visar att, när växtplanktontillväxten accelererar, blommorna kan överträffa de organismer som jagar dem. Så fort accelerationen upphör, dock, rovorganismerna kommer ikapp och blomningen tar slut.

Föreställ dig två gummibollar – en röd, en grön — förbunden med ett gummiband, sa Behrenfeld.

"Ta den gröna bollen - som representerar växtplanktonet - och slå den med en paddel, " sa han. "Så länge den gröna bollen accelererar, gummibandet kommer att sträckas, och den röda bollen – som representerar allt som äter eller dödar växtplanktonet – kommer inte ikapp den gröna bollen. Men så fort den gröna bollen slutar accelerera, spänningen i gummibandet kommer att dra upp den röda bollen till det, och den röda bollen kommer ikapp."

Detta fynd, han sa, går emot den vanliga uppfattningen att blomningar börjar när växtplanktontillväxten når en tröskelhastighet, och sedan sluta när tillväxttakten kraschar.

Istället, blomningar börjar när tillväxten är extremt långsam, och sedan stanna när växtplanktontillväxten är som mest men accelerationen av blomningen har nått sin topp. Det är först då som rovorganismerna kommer ikapp och blomningen tar slut.

Studien visar också att i arktiska vatten, förändringarna från år till år i denna ständiga push och pull mellan rovdjur och bytesdjur har varit den primära drivkraften för förändringar under de senaste 10 åren. Situationen är annorlunda i södra havet runt Antarktis, där förändringar i istäcket höll mer inflytande.

"Ta hem-meddelandet, " Behrenfeld sa, "är det, om vi vill förstå produktionen av de polära systemen som helhet, vi måste fokusera både på förändringar i istäcket och förändringar i ekosystemen som reglerar denna känsliga balans mellan rovdjur och bytesdjur."

Förmågan hos rymdbaserad LIDAR, han sa, öppna dörren till ännu mer detaljerade mätningar av planktonsamhällen. Till exempel, CALIOP-instrumentet, bra som det är, konstruerades för att göra mätningar av atmosfären och har inte den upplösning som krävs för att fånga detaljerad information under havets yta.

Ett instrument med högre upplösning, utvecklas nu på NASA men ännu inte utplacerad på en satellit, kunde samla underjordiska prover på fint fördelade djup när laserpulsen penetrerar genom vattenpelaren, gör det möjligt för forskare att se den vertikala strukturen hos planktonblomningar. Det skulle avslöja mer om hur plankton påverkas av havets strömmar och dess andra fysiska egenskaper, sa Behrenfeld.

Instrumentet kan också bestämma vilken del av signalen som är från spridningen av ljus kontra absorptionen av ljus.

"Vi kan använda spridningsinformationen för att kvantifiera koncentrationen av plankton, och vi kan använda absorptionen för att säga något om planktonets fysiologi – med andra ord, cellernas hälsa, sa Behrenfeld.

CALIOP-sensorn är monterad på CALIPSO-satelliten (Cloud-Aerosol Lidar och Infrared Pathfinder Satellite Observation), ägs gemensamt av NASA och Frankrikes rymdorganisation. Andra deltagande institutioner inkluderar University of Maine, University of California och Princeton University.