Som katastrofala stormar, översvämningar, och bränder blir vanligare i USA och på andra håll, människor har precis börjat inse några av effekterna av den globala uppvärmningen. Men dessa effekter skulle vara mycket värre om havet inte hade absorberat ungefär 45 procent av den koldioxid som människor har släppt ut sedan början av den industriella revolutionen. Även om forskare länge har vetat att haven tar upp mycket koldioxid, detaljerna i denna process är fortfarande otydliga. MBARI marinkemist Andrea Fassbender försöker få denna process i fokus genom att studera när, var, och hur kol rör sig mellan atmosfären, övre havet, och djupt hav.

Grunderna i denna kol-cykliska process är relativt väl förstått. När koncentrationerna av koldioxid är högre i atmosfären än i havets ytvatten, koldioxid från atmosfären kommer att lösas upp i havet. En del av denna koldioxid används av mikroskopiska alger som införlivar kol i sina kroppar när de växer och förökar sig i det solbelysta ytvattnet.

När de mikroskopiska algerna konsumeras av djur och mikrober, kolet i deras kroppar överförs till dessa organismer, som transporterar kolet i sina kroppar eller släpper ut det som avfall i det omgivande vattnet. Det mesta av detta kol stannar inom cirka 100 meter från havsytan, där den lätt kan återvända till atmosfären, speciellt under vintermånaderna, när havsvattnet är mer kärvt och koncentrationen av alger är lägre.

Dock, en liten men mycket viktig mängd av detta kol sjunker till djupare vatten, hundratals till tusentals meter under havsytan. En del av detta kol förs ner i djupet i form av marin snö – små fläckar av döda alger och djur, skräpmaterial, och slem. Ju längre ner detta kol sjunker, desto längre är det troligt att det lagras i havet innan det kommer i kontakt med atmosfären igen.

Om kolet sjunker tillräckligt djupt för att det är osannolikt att det förs tillbaka till ytan genom vinterblandning, det anses ha exporterats från ytvattnet. Om kolet når djup där det är osannolikt att det förs tillbaka till ytan på hundratals år eller mer, den anses vara bevarad i djuphavet.

Oceanografer kallar denna vertikala koltransportprocess för den biologiska pumpen, och det är kärnan i mycket av Fassbenders forskning. Även om det övergripande konceptet för den biologiska pumpen är relativt enkelt, detaljerna är extremt komplicerade och involverar många inbördes relaterade kemikalier, biologisk, och fysiska processer, som varierar från plats till plats och över tidsskalor som sträcker sig från minuter till årtusenden. Den biologiska pumpen är också en viktig komponent i de datormodeller som forskare använder för att förutsäga den globala uppvärmningen.

För att till fullo förstå den biologiska pumpen, oceanografer måste mäta kol i havet i alla dess olika former, Inklusive:

• Upplöst oorganiskt kol - Kol i form av enkla molekyler lösta i havsvatten, inklusive koldioxid, kolsyra, bikarbonat, och karbonat
• Partikelformigt organiskt kol – Kol i form av partiklar suspenderade i havsvatten som är större än cirka en halv mikron (cirka en 90:e av diametern på ett människohår) tvärs över
• Upplöst organiskt kol" - Kol i form av mycket små partiklar (mindre än cirka en halv mikrometer i diameter) och i lösta organiska föreningar såsom de som frigörs vid nedbrytning av döda djur, alger, och marin snö

Under det senaste året har Fassbender varit aktivt involverad i ett antal forskningsprojekt och publikationer med fokus på kolkretslopp i havet, med tonvikt på den biologiska kolpumpen och de processer som styr hur haven absorberar mänskligt genererat kol. Följande text beskriver en del av detta banbrytande arbete.

Vikten av årstiderna i havet

I september 2018 publicerade Fassbender en forskningsartikel i Globala biogeokemiska cykler som lyfte fram vikten av säsongsmässiga förändringar i koldioxidkoncentrationer i olika delar av havet.

Koldioxidgas är mer löslig i kallt vatten än varmt vatten. Som ett resultat, säsongsbetonad uppvärmning av ytvatten under våren och sommaren ökar partialtrycket av koldioxidgas i havsvattnet (partialtrycket för en gas är direkt relaterat till dess koncentration). Dock, mikroskopiska alger växer snabbt under våren och sommaren, förbrukar koldioxid. I vissa miljöer motverkar detta effekten av värmande vatten.

Eftersom koldioxidgas är mer löslig i kallt vatten, säsongsbunden kylning av havet under vintern gör att partialtrycket av koldioxidgas sjunker. Dessutom, turbulens från vinterstormar ger djupt vatten, rik på koldioxid, upp mot ytan under vintern, som arbetar för att motverka påverkan av kallare vatten.

Dessa processer är gemensamma för alla havsregioner, men deras timing och storlek kan variera från plats till plats, vilket resulterar i unika säsongsbetonade cykler av koldioxid i ytvattnet.

Som ett resultat av de processer som beskrivs ovan, Havsområden på hög latitud tar vanligtvis upp koldioxid från atmosfären under vår- och sommarmånaderna på grund av biologisk aktivitet och släpper ut koldioxid till atmosfären under hösten och vintern som ett resultat av djupblandning.

I områden med låg latitud (närmare ekvatorn), säsongsmässiga förändringar i vattentemperaturen dikterar till stor del variationerna i koldioxid på ytan. Resultatet är att dessa områden tenderar att ha högre partialtryck av koldioxidgas under sommaren och lägre värden på vintern.

Fassbenders senaste papper visade att mänskligt genererat kol som kommer in i haven kommer att förändra dessa säsongsbetonade cykler, till exempel, genom att förstärka de säsongsbetonade extremerna på ett sätt som är asymmetriskt. Till exempel, vissa regioner kan uppvisa större tillväxt under sommarens maximum än under vinterns lägsta koldioxidhalt över tiden, orsakar en övergripande ökning av utbudet av säsongsbetonade koldioxidvariationer.

Detta fynd har viktiga konsekvenser för hur havets kolupptag kan förändras i framtiden. Dessutom, det tyder på att forskare behöver göra observationer som sträcker sig över hela året för att exakt uppskatta långsiktiga trender i halten av koldioxidgaser i havet, eftersom trenderna under vinter och sommar kanske inte är desamma.

Att få ihop fältforskare och modellbyggare

Även om forskare definitivt behöver fler vinterkolmätningar i områden med hög latitud i havet, det finns många andra havsområden där detaljerna i kolcykling inte är väl förstådda. Till exempel, de så kallade "västra gränsströmmarna, " som Golfströmmen i nordvästra Atlanten och Kuroshio-strömmen i nordvästra Stilla havet, är mycket viktiga för att transportera värme och kol runt världshavet.

Hösten 2017, Fassbender var med och organiserade en workshop på MBARI där fältforskare och datormodelleringsexperter kunde diskutera kolkretslopp i västliga gränsströmmar. De primära målen med workshopen var att få observationsforskare och modellbyggare att jämföra sina resultat och föreslå metoder för att fylla luckorna i forskarnas förståelse av dessa områden. De var särskilt intresserade av att samla in ny data som kommer att förbättra datormodeller av havets kolcykel.

Workshopen samsponsrades av US Climate Variability and Predictability Program (CLIVAR) och US Ocean Carbon and Biogeochemistry Program. Efter workshopen sammanställde och redigerade Fassbender och kollegor en rapport som sammanfattar nyckelfrågor och rekommendationer relaterade till kolcykling i västliga gränsströmmar, som publicerades i augusti 2018 och presenterades för den amerikanska CLIVAR Inter-Agency Group i oktober 2018.

Förbättring av satellitbaserade uppskattningar av uppdatering av kol i havet

NASA tar ett annat förhållningssätt till utmaningen med globala, året runt, övervakning av havets koldioxid. Samtidigt som hennes senaste artikel kom ut i Global Biogeochemical Cycles, Fassbender och andra MBARI-forskare var involverade i ett stort fältexperiment kallat Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS), som finansierades av NASA och National Science Foundation.

Under sommaren 2018 EXPORTS forskningskryssning, två stora oceanografiska forskningsfartyg och forskare från över 15 projektteam och många amerikanska forskningsinstitutioner begav sig ut till norra Stilla havet för att samla in data om den biologiska pumpen, använder ett brett utbud av toppmoderna laboratorieinstrument, autonoma sensorer och robotar, och satelliter.

Satelliter ger en långsiktig, global utsikt över havet. Dock, satellitbaserade sensorer, för det mesta, observera endast de översta lagren av havet. Således, ett primärt mål med EXPORTS-experimentet var att reta ut detaljerna i den biologiska pumpen och deras relation till optiska egenskaper i vattenpelaren (som kan observeras av satelliter). Detta innebar att gräva i det fysiska, kemisk, och biologiska processer involverade i den biologiska pumpen.

Genom att lära sig mer om mekanismerna som är involverade i den biologiska pumpen, forskarna hoppas kunna förbättra satellitbaserade uppskattningar av hur mycket kol som exporteras till djuphavet. Genom att jämföra yt- och underjordsobservationer i norra Stilla havet (liksom i Nordatlanten under ett andra experiment 2020), NASA- och NSF-finansierade forskare kommer att utveckla bättre metoder för att använda satellitobservationer för att studera den marina kolcykeln.

Under EXPORT-experimentet, Fassbender och hennes kollegor använde robotar, drivande havskemiflottor, och andra automatiserade instrument för att mäta fysiska och biologiska processer i nordöstra Stilla havet, både på ytan och på djupet. Flytarna kommer att stanna till sjöss i flera år i taget, vilket gör att Fassbender och hennes kollegor kan uppskatta hur mycket kol som lagras på olika djup i havet och vid olika tider på året. Teamet har precis börjat analysera data från dessa instrument.

Havsförsurning i nordvästra Stilla havet

Alla projekt som listas ovan visar vikten av att samla in ny data som visar hur kolkemin i havet förändras under året. Men Fassbender är också intresserad av historiska mätningar och långsiktiga trender inom kolkemi, inklusive processen med havsförsurning.

Havsförsurning uppstår när koldioxid löser sig i havets ytvatten, minska koncentrationen av karbonatjoner, och gör att havsvattnet blir surare. I juli 2018, Fassbender och hennes kollegor publicerade en artikel i Earth System Science Data som fokuserade på havsförsurning runt Washington State - ett område där kustnära skaldjursindustri kanske redan upplever effekterna av förändrad kemi i havet.

Vid utarbetandet av detta dokument, Fassbender och hennes medförfattare sammanställde och analyserade praktiskt taget alla befintliga och historiska data om kolkemi för denna region - ungefär 100, 000 mätningar totalt. Detta inkluderade historiska data från "havatlaser" såväl som data från forskningsfartyg, övervakningsbojar, och fältexperiment.

Denna studie var unik eftersom den gav modern baslinjeinformation om den säsongsmässiga variationen av många data om havets kol i hela regionen - information som inte fanns tidigare. Dessa koldata inkluderade ythavsvatten pH (surhet), koldioxid, löst oorganiskt kol, total alkalinitet, och mättnadstillståndet för aragonit (ett mineral som utgör skalen på många marina organismer). De sammanställda uppgifterna kommer att fungera som en värdefull referens som kommer att hjälpa forskare att upptäcka förändringar i havsvattenkemin i denna region under kommande år och decennier.

Förutom att tillhandahålla en baslinje, eller känsla för vad som för närvarande är normalt i havsvattnet i delstaten Washington, forskningen visade på stora skillnader i kolkemi mellan det halvslutna vattnet i Puget Sound och det öppna Stilla havet. Till exempel, data visade att det säsongsbetonade intervallet för surhet av ytvatten i Hood Canal är cirka 27 gånger större än i det öppna havet utanför Washington.

Detta fynd indikerar att alger och djur som lever i de skyddade vattnen i Pacific Northwest utsätts för mycket större säsongsmässiga förändringar i surhetsgrad (utöver alla andra karbonatsystemvariabler som utvärderas) än de som lever i närliggande öppna havsvatten.

Den automatiserade framtiden för havskemiska mätningar

Dessa dagar, Fassbender fortsätter sitt arbete med kolcykling på ett antal fronter. Under 2019, hon hoppas kunna utveckla ett nytt kolkemiskt instrument för användning på havsbojar och ytrobotar som kan stanna till sjöss i månader i taget och korsa stora delar av havet. Fassbender arbetar med flera ingenjörer på MBARI i detta projekt, samt forskare vid National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) och University of Hawaii.

Ett av deras mål är att installera det nya instrumentet på NOAA:s klimatövervakningsbojar. Befintliga instrument på dessa bojar mäter koldioxid i atmosfären och i ythav, och vissa bojar är också utrustade med pH-sensorer. Det nya instrumentet skulle mäta löst oorganiskt kol förutom koldioxid, ge forskare ny information om havets kolupptag och förändringar i havets kemi.

På global nivå, Fassbender noterar att under de senaste 10 åren, ett samlat arbete för att utöka och sammanställa observationer av koldioxid på ytan året runt har redan gett forskare en större förståelse för hur mycket kol som rör sig mellan havet och atmosfären varje år. Hon hoppas att genom att utveckla nya instrument och distribuera dem på plattformar runt om i världen, hon och hennes forskarkollegor kommer att få värdefull information om de finare detaljerna i kolcykling i avlägsna havsregioner. Detta i sin tur, kommer att bidra till att förbättra de kritiska datormodeller som forskare använder för att förutsäga framtida klimat på jorden.