VIMS biträdande professor Elizabeth Shadwick (håller ett gult rep) hjälper till att placera ut sin förtöjning i det kalla vattnet i södra oceanen från husbilen Laurence M Gould. Kredit:VIMS.
Jordens hav har sugit upp ungefär en tredjedel av den koldioxid som människor tillfört atmosfären genom användning av fossila bränslen och andra aktiviteter. Det är goda nyheter för dem som är intresserade av växthusuppvärmning, men dåliga nyheter för det marina livet som är känsligt för den ökande surheten som extra CO2 tillför havsvattnet.
Dr Elizabeth Shadwick, en biträdande professor vid William &Mary's Virginia Institute of Marine Science, har nu utplacerat en högteknologisk förtöjning under de säsongsbetonade istäckta vattnen runt Antarktis för att bättre förstå havsförsurningen i polarområdena, särskilt under de dåligt studerade vintermånaderna. Finansiering för hennes arbete kommer från National Science Foundations Office of Polar Programs.
Hittills, kunskap om CO2-nivåer i södra oceanen runt Antarktis bygger nästan uteslutande på data som samlats in av forskningsfartyg och återförsörjningsfartyg under sommarens korta fönster av isfritt vatten. Shadwicks förtöjning kommer att förlänga detta rekord året runt, rakt igenom den långa polarvintern.
Förtöjningen, en lina förankrad till havsbotten i ca 1, 600 fot vatten och hålls vertikalt av flottörer i badbollsstorlek, slutar cirka 60 fot under havsytan, långt under vinterns havsis. Den inkluderar banbrytande sensorer som kan mäta koncentrationer av löst koldioxid var tredje timme under förtöjningens sex månader långa utbyggnad. Andra sensorer kommer att mäta pH, temperatur, salthalt, och löst syre. All data lagras på vattentäta minneskort tills förtöjningen är hämtad.
"De autonoma sensorerna kommer att tillåta oss att övervaka hela årscykeln av koldioxid i Antarktis kustvatten, för första gången, " säger Shadwick. Hon och VIMS marintekniker Olivia De Meo planerar att återställa den nyss utplacerade förtöjningen i början av maj – senhösten i Antarktis – när de också kommer att placera ut en andra identisk förtöjning som ska återställas nästa december.
Utplacering och hämtning sker från det amerikanska forskningsfartyget Laurence M. Gould. Hämtning innebär att man använder lagrade GPS-koordinater för att flytta förtöjningen – som inte är synlig på ytan – och sedan frigöra den från sin havsbottentjuder genom att pinga en frigöringsmekanism med en akustisk signal. Förtöjningen kan sedan flyta upp till ytan, där besättningsmedlemmar hakar fast den med en grip och hissar ombord den.
Biträdande professor Elizabeth Shadwick (R) från Virginia Institute of Marine Science med marintekniker Olivia De Meo ombord på husbilen Laurence M Gould på väg till utplacering av deras förtöjning i södra oceanen. Kredit:VIMS.
Försurning i södra oceanen
Eftersom södra oceanen spelar en så viktig roll i den globala kolcykeln – lagrar nästan hälften av de mänskliga inducerade utsläppen som har tagits upp av havsvatten – borde data från Shadwicks förtöjningsplatser leda till en bättre förståelse av globala klimatförändringar och en förbättrad förmåga att förutsäga dess globala effekter.
"Från observationer på platser som Hawaii och Bermuda, vi vet att havet på ytan följer ökningen av atmosfärisk CO2, " säger Shadwick. "Vad som är mindre väl förstått är om polarhaven också spårar denna ökning, eftersom de är ur kontakt med atmosfären i flera månader varje år när is är närvarande."
Modellering baserad på mätningar ombord från de senaste antarktiska somrarna tyder på att stigande CO2-koncentrationer kommer att leda till stora problem för det lokala marina livet med början omkring 2070 – när den resulterande minskningen av pH kan påverka djur som bildar skal eller skelett av kalciumkarbonatmineraler. Shadwick och andra forskare är särskilt oroade över effekterna på mikroskopiska organismer på botten av den polära näringsväven, och hur dessa effekter kan sprida sig och påverka fiskar, pingviner, tätningar, och valar.
Förstå vinterförhållandena, säger Shadwick, är viktigt eftersom till skillnad från på sommaren, när fotosyntes av marina alger tar bort CO2 från vattnet och ökar pH, på vintern frigörs CO2 genom andning eller sönderfall av algblomningar, leder till förhållanden med naturligt lågt pH.
"Med glesa observationer av vinterförhållanden, " säger Shadwick, "Våra modeller förutspår att södra oceanen kommer att bli undermättad med avseende på karbonat till år 2030 - ungefär 30 år tidigare än prognoser baserade på förhållanden som representerar ett årligt genomsnitt, och upp till 70 år tidigare än de som enbart baseras på sommarobservationer." Undermättnad av karbonat betyder att kalciumkarbonatmineraler är energiskt dyrare för djur att tillverka; karbonatskal kan till och med börja lösas upp i havsvatten med lågt pH.
Shadwick varnar, dock, att dessa prognoser kan förändras baserat på ett antal återkopplingsmekanismer som fortfarande är dåligt förstådda. Dessa inkluderar fortsatt uppvärmning; uppfräschning på grund av ökad smältning av havsis och landbaserade glaciärer; ökad biologisk produktivitet på grund av en längre öppet vattensäsong, ökad tillförsel av näringsämnen, eller båda; och inträngningar av kolrikt vatten på kontinentalsockeln från djupare vatten i närheten.
För att bättre förstå dessa potentiella återkopplingar, Shadwick och medarbetare kommer att analysera förtöjningsdata i ljuset av en hel uppsättning andra biologiska och fysiska mätningar från omgivande vatten. Förtöjningen ligger inom studieområdet för Palmer Antarctic Long-Term Ecological Research-programmet, som – som namnet antyder – etablerades för att övervaka förändringar från år till år och årtionde till årtionde i ekosystemen på den västantarktiska halvön nära U.S. Palmer Research Station. PAL-LTER-forskare har samlat in data i området sedan 1991. Shadwicks projekt har också godkänts av Southern Ocean Observing System (SOOS).
