Ett stort tvärvetenskapligt team av forskare, utrustad med avancerad undervattensrobotik och en rad analytiska instrument, kommer att segla mot nordöstra Stilla havet i augusti. Teamets uppdrag för NASA och National Science Foundation (NSF) är att studera liv och död för de små organismer som spelar en avgörande roll för att avlägsna koldioxid från atmosfären och i havets kolcykel.

Mer än 100 forskare och besättning från mer än 20 forskningsinstitutioner kommer att gå ombord från Seattle för NASA:s exportprocesser i havet från fjärranalys (EXPORTS) oceanografiska kampanj. EXPORTS är den första samordnade multidisciplinära vetenskapskampanjen i sitt slag för att studera öden och påverkan på kolcykeln av mikroskopiskt plankton med hjälp av två forskningsfartyg och flera undervattensrobotplattformar.

Forskningsfartygen, R/V Revelle och R/V Sally Ride, drivs av Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego, kommer att segla västerut 200 miles in i det öppna havet. Från dessa sjöburna laboratorier, forskare kommer att utforska planktonet, såväl som de kemiska och fysikaliska egenskaperna hos havet från ytan till en halv mil nedanför in i skymningszonen, en region med lite eller inget solljus där kolet från planktonet kan bindas, eller hålls borta från atmosfären, under perioder som sträcker sig från decennier till tusentals år.

"Genom att använda två fartyg kommer vi att kunna observera komplexa oceanografiska processer som varierar både i rum och tid som vi inte skulle kunna fånga med ett enda fartyg, sa Paula Bontempi, programledare för havsbiologi och biogeokemi vid NASA:s högkvarter.

Växtplankton är små, växtliknande organismer som lever i det solbelysta övre havet. De använder solljus och löst koldioxid som kommer in i det övre havet från atmosfären för att växa genom fotosyntes, vilket är ett sätt som havets organismer cirkulerar kol. Som primärproducenter, Växtplankton spelar en viktig roll för att ta bort atmosfärisk koldioxid och producera syre. När växtplankton konsumeras av plankton eller dör, deras rester sjunker och en del av deras kol exporteras till djupet.

Medan de viktigaste exportvägarna för hur kol rör sig genom havet är kända, omfattningen av kolflödena i de olika oceaniska vägarna och deras beroende av ekosystemegenskaper är dåligt kända. Forskare i EXPORT-teamet undersöker hur mycket kol som rör sig genom havet inom det övre solbelysta lagret och in i skymningszonen och hur havets ekologiska processer påverkar kolets öde och bindning. Denna information behövs för att förutsäga hur mycket kol som kommer att cirkulera tillbaka till atmosfären under vilken tidsskala, eller hur mycket kol som exporteras till havets djup.

"Kolet som människor lägger ut i atmosfären värmer jorden, " säger Mike Sieracki, programdirektör i National Science Foundations avdelning för havsvetenskaper. "Mycket av det kolet hittar så småningom sin väg ut i havet och transporteras till djuphavet, där det är sekvestrerat och inte kommer tillbaka till atmosfären på länge. Detta projekt kommer att hjälpa oss att förstå de biologiska och kemiska processerna som tar bort kolet, och skapa en grund för att övervaka dessa processer när klimatet förändras."

Sju år på väg, 2018 års kampanj har varit ett stort åtagande, sa David Siegel, EXPORTER vetenskapsledare från University of California, Santa Barbara.

"Inverkan EXPORTS-data kommer att ha för att förstå hur vår planet förändras kommer att vara betydande, " Sa Siegel. "NASA:s havsfärgsatelliter visar att dessa ekosystem är mycket känsliga för klimatvariationer. Förändringar i växtplanktonpopulationer påverkar den marina näringsväven eftersom växtplankton äts av många djurarter, stora som små. Insatserna är höga."

Det långsiktiga avlägsnandet av organiskt kol från atmosfären till havsdjupen är känd som den biologiska pumpen, som fungerar genom tre huvudprocesser. Först, kolhaltiga partiklar från havets yta sjunker genom gravitationen, som händer med dött växtplankton eller avföring som produceras av små djur som kallas djurplankton. Andra, djurplankton vandrar dagligen nära havets yta för att livnära sig på växtplankton och återvända till skymningszonen under natten. Tredje, fysiska processer i havet, som den stora globala vältande cirkulationen av haven och mindre skala turbulenta virvlar, transportera suspenderat och löst kol till stora djup.

NASA:s satelliter ger en mängd olika mätningar av havets översta lager, såsom temperatur, salthalt och koncentrationen av ett pigment som finns i alla växter som kallas klorofyll. EXPORTS kommer att tillhandahålla data om växtplanktons och planktons roll i den biologiska pumpen och exporten av kol, information som är viktig för planering av observationer och teknik som behövs för framtida jordobservationssatellituppdrag.

"Vi har designat EXPORT för att samtidigt observera de tre grundläggande mekanismerna genom vilka kol exporteras från det övre havet till djupet, " Sa Siegel. "Vi försöker att bättre förstå biologin och ekologin hos växtplankton i ytvattnet, hur dessa egenskaper driver transporten av kol till skymningszonen, och sedan vad som händer med kolet i det djupare vattnet."

Bland de många tekniker som används är en autonom plattform som kallas "Wirewalker" som använder vågenergi för att flytta instrument längs en spänd tråd från ytan till 1, 600 fot (500 meter) på djupet när man mäter temperaturen, salthalt, syre, kol, och klorofyllkoncentration.

Ett 6,5 fot långt (2 meter långt) fjärrstyrt undervattensfordon kallat Seaglider kommer att samla in liknande mätningar, men på djup så mycket som 3, 200 fot (1, 000 meter.)

Ombord på fartyget, prover kommer att samlas in för genomiska sekvenserare för att bedöma sammansättningen av växtplanktonet, djurplankton, bakteriella och arkeala samhällen.

Nya mikroskopiska bildverktyg kommer också att användas av EXPORTS-forskare, inklusive ett mikroskop med hög genomströmning som kallas Imaging FlowCytobot som ger realtid, högupplösta bilder av miljarder enskilda växtplankton. Underwater Vision Profiler kommer att mäta storleken på sjunkande ballastpartiklar och samla in bilder av djurplanktonorganismer.

Monterade på fartygets överbyggnad kommer att finnas optiska instrument som kommer att mäta havets färg med mycket hög spektral upplösning, från de ultravioletta våglängderna till de kortvågiga infraröda banden i det elektromagnetiska spektrumet. Växtplankton har distinkta spektrala "signaturer" - ljusfärger som de absorberar och sprider. Genom att identifiera dessa signaturer kommer forskare att kunna utveckla algoritmer för framtida satellithavfärguppdrag som NASA:s Plankton, Aerosol, Moln, Ocean Ecosystem (PACE) uppdrag. Från rymden, PACE kommer att använda liknande optiska instrument för att särskilja typen och mängden växtplankton som finns i havet.

"Det vi kommer att lära oss av EXPORT kommer att ge oss en djupare förståelse för hur planktonarter och andra mikroorganismer som bakterier interagerar med sin miljö, ", sa Bontempi. "Vi kommer inte bara att kunna använda denna information för att utveckla nya metoder för att identifiera och kvantifiera planktonarter från rymden, Vi kommer att kunna förutsäga hur mycket kol som kommer att cirkulera tillbaka till atmosfären och hur mycket som kommer att transporteras till havsdjupet på lång sikt."