Satellitbilder av växtplanktonblommor på havets yta bländar ofta med sina olika färger, nyanser och former. Men växtplankton är mer än bara naturens vattenfärger:De spelar en nyckelroll i jordens klimat genom att ta bort värmefångande koldioxid från atmosfären genom fotosyntes.

Ändå har en detaljerad redogörelse för vad som blir av det kolet – hur mycket av det går vart i jorden och hur länge – plågat forskare i årtionden. Så medan NASA:s jordobservationssatelliter kan upptäcka spridningen och platsen för dessa organismer, de exakta konsekvenserna av deras livs- och dödscykler på klimatet är fortfarande okända.

För att svara på de frågorna, den här veckan seglar ett stort tvärvetenskapligt team av forskare 200 miles västerut från Seattle in i nordöstra Stilla havet med avancerad undervattensrobotik och andra instrument på en månadslång kampanj för att undersöka de hemliga livet för dessa växtliknande organismer och djuren som äter dem.

NASA och National Science Foundation finansierar den oceanografiska kampanjen Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS). Med mer än 100 forskare och besättning från nästan 30 forskningsinstitutioner, EXPORTS är den första samordnade multidisciplinära vetenskapskampanjen i sitt slag för att studera vägarna, öden och påverkan på kolcykeln av mikroskopiskt och annat plankton med hjälp av två forskningsfartyg, en rad undervattensrobotplattformar och satellitbilder. Teamet kommer att arbeta från forskningsfartygen (R/V) Roger Revelle och Sally Ride, drivs av Scripps Institution of Oceanography, University of California, San Diego.

"Den fortsatta utforskningen av havet, dess ekosystem och deras kontroller av kolets kretslopp som observerats med avancerad teknik av EXPORTS kommer att ge oöverträffade vyer av jordens osynliga värld, "sa Paula Bontempi, EXPORT-programforskare vid NASA:s högkvarter, Washington. "De vetenskapsfrågor som teamet tar itu med tänjer verkligen på gränsen för vad NASA kan göra inom både avlägsna och in situ optisk havsforskning. NASA:s mål är att koppla de biologiska och biogeokemiska havsprocesserna till information från planerade oceanobservationssatellituppdrag, därmed extrapoleras resultaten från detta uppdrag till globala skalor. "

Den utmaning som EXPORTS tar itu med kräver ett extremt tvärvetenskapligt team av experter. "Jag är vördnad över att vi har kunnat sammanföra ett team av sanna ledare inom sina individuella områden med det enda målet att förstå interaktionen mellan livet i havet och havets kolcykel, sa David Siegel, professor i marin vetenskap vid University of California, Santa Barbara, och EXPORTER vetenskapsledare. "Teamet har en oöverträffad mångfald av expertis, inklusive fysiker, ekologer, geokemister, numeriska modellerare, och genomik, robotik och fjärranalysforskare."

Ordet "växtplankton" kommer från grekiskan för "växtdrivare"; växtplankton utnyttjar solens energi för att omvandla löst oorganiskt kol i havet till organiskt kol – vilket skapar kolhydrater och cellulärt material för näring och reproduktion – och deras rörelse dikteras till stor del av havets fysik, inklusive strömmar. Dessa organismer är mikroskopiska, mestadels encelliga, och multiplicera exponentiellt, fördubblar deras antal i genomsnitt varje dag.

Deras överflöd och höga produktivitet gör växtplankton till en idealisk födokälla för små djur som kallas djurplankton, vilket betyder "djurdrivare" på grekiska. "Om du har en miljon växtplankton och djurplankton äter 500, 000 av dem, växtplanktonet kan snabbt studsa tillbaka till en miljon inom en dag, " sa Tatiana Rynearson, en oceanograf från Graduate School of Oceanography vid University of Rhode Island och en medlem av EXPORTS-teamet. "Växtplankton ger energi till hela ekosystemet eftersom de kan fylla på sina populationer snabbt."

Liksom växtplankton, zooplankton är olika i arter. Vissa är encelliga och mikroskopiska (mikrozooplankton), medan andra, som räkorliknande krill och maneter, är tydligt synliga för blotta ögat. Olika arter lever nära havets yta hela livet, medan andra tillbringar sina dagar i skymningszonen från 200 meter till 1000 meter (650 fot till 3300 fot) nedanför, där det finns lite eller inget solljus. Men på natten vissa djurplanktonarter, som copepods, som är små kräftdjur, göra en massmigration till ytan – den största resan efter antal organismer på jorden – för att livnära sig på växtplankton och mikrozooplankton, och dra dig sedan tillbaka till djupet vid soluppgången.

Längre upp i näringskedjan, en mängd större djur, som fisk – inklusive havets jätte, valhajen - och baleenvalar som blåhvalen - det största djuret på jorden - livnär sig på djurplankton, införliva det organiska kolet i sina kroppar.

Mycket av det organiska kolet som förbrukas av växtplankton, djurplankton och större marina rovdjur återvänder till atmosfären på korta tidsskalor. Detta händer när de sönderdelas och genom andning längs denna näringskedja, från de större djuren och zooplankton till bakterierna som livnär sig på dessa djurs avföring och nedbrytande kroppar. Men en del av det organiska materialet från avföring och sönderdelade kroppar sjunker in i skymningszonen och avskiljs på längre tidsskalor.

"Det är en liten bråkdel, en bråkdel av en procent av biomassan som gör den djupare nere i havet där vattnet håller sig borta från atmosfären under lång tid, från årtionden till tusentals år, sa Heidi Sosik, en senior forskare vid Woods Hole Oceanographic Institution och medlem av EXPORTS-teamet. "Vi har ganska bra information som talar om för oss att dessa processer pågår, men vi har mycket mindre information för att hjälpa oss att kvantitativt bedöma deras inverkan på saker som koldioxidcykling och, i sista hand, Jordens klimat."

Ett mål med kampanjen är att förbättra förståelsen för plankton genom genetik. Rynearson och andra kommer att vara involverade i att identifiera olika växtplankton- och djurplanktonarter genom deras DNA och bestämma vilka arter som finns på ytan, som sjunker, och som lever i det djupa havet. Att studera deras genetiska smink kommer att ge insikter om deras ämnesomsättning, som kommer att analyseras tillsammans med in situ mätningar av fotosyntes och andning.

"Väsentligen, vi försöker plocka isär vem som är där och vad de gör och hur mycket kol som cirkulerar genom dessa olika arter, " sa Rynearson. De genetiska data kommer att kopplas till optiska mätningar, utförs som en del av arbetet på plats, för att hjälpa till att bygga optiska proxies för kritiska havsekosystem och biogeokemiska egenskaper. När dessa optiska oceanproxyer har skapats, forskare kommer att ytterligare definiera och förfina tillvägagångssätt för att mäta havets ekosystemvariabler på distans, slutligen koppla kolexportprocesser till satellitmätningar.

Deborah Steinberg, professor i marin vetenskap vid Virginia Institute of Marine Science, är co-chief scientist på R/V Revelle och studerar djurplanktonpopulationer. Använd en finmaskig, elektroniskt styrt planktonnät, Steinberg och hennes team kommer att ta prover på vatten på olika djup, från ytan till 1, 000 meter (3, 200 fot). De kommer att räkna mängden av olika djurplanktonpopulationer på olika djup och ta med prover tillbaka på fartyget för att observera hur mycket avföring de producerar. Sonder på fartyget kommer också att mäta hur mycket syre de använder. "Det kommer att ge oss en bra uppfattning om deras ämnesomsättning och hur mycket varje art återvinner eller exporterar det organiska materialet som de äter, " Hon sa.

Under tiden, Sosik och hennes team kommer att vara bland EXPORTS -gruppmedlemmarna som tittar på växtplanktonarternas påverkan på havets ytas optiska egenskaper - hur de absorberar och sprider solljus - vilket är grundläggande för att skilja signalerna som satelliter hämtar från rymden. "Kombinerat med data från EXPORTS och andra sjöbaserade kampanjer på plats som matar in modeller, " Hon sa, "satellitdata kommer att hjälpa oss att göra mer sofistikerade och förfinade slutsatser om vad som kan hända djupare i havet och vad effekterna på koldioxidcykeln kan ha."