Klimatförändringarna orsakar betydande förändringar av växtplankton i världshaven, och en ny MIT-studie visar att under de kommande decennierna kommer dessa förändringar att påverka havets färg, intensifierar sina blå regioner och dess gröna. Satelliter bör upptäcka dessa förändringar i nyans, ge tidig varning om omfattande förändringar av marina ekosystem.

Skriver in Naturkommunikation , forskare rapporterar att de har utvecklat en global modell som simulerar tillväxten och interaktionen mellan olika arter av växtplankton, eller alger, och hur blandningen av arter på olika platser kommer att förändras när temperaturen stiger runt om i världen. Forskarna simulerade också hur växtplankton absorberar och reflekterar ljus, och hur havets färg förändras när den globala uppvärmningen påverkar sammansättningen av växtplanktonsamhällen.

Forskarna körde modellen genom slutet av 2000-talet och fann att, år 2100, mer än 50 procent av världens hav kommer att skifta i färg, på grund av klimatförändringarna.

Studien tyder på att blå regioner, som subtropikerna, kommer att bli ännu mer blå, återspeglar ännu mindre växtplankton – och livet i allmänhet – i dessa vatten, jämfört med idag. Vissa regioner som är grönare idag, som nära polerna, kan bli ännu djupare grön, när varmare temperaturer brygger upp större blomningar av mer varierande växtplankton.

"Modellen antyder att förändringarna inte kommer att verka enorma för blotta ögat, och havet kommer fortfarande att se ut som om det har blå regioner i subtroperna och grönare regioner nära ekvatorn och polerna, " säger huvudförfattaren Stephanie Dutkiewicz, en huvudforskare vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och Planetary Sciences och Joint Program on the Science and Policy of Global Change. "Det grundläggande mönstret kommer fortfarande att finnas där. Men det kommer att vara tillräckligt annorlunda för att det kommer att påverka resten av näringsväven som växtplankton stödjer."

Dutkiewiczs medförfattare inkluderar Oliver Jahn från MIT, Anna Hickman vid University of Southhampton, Stephanie Henson från National Oceanography Center Southampton, Claudie Beaulieu från University of California i Santa Cruz, och Erwan Monier från University of California i Davis.

Klorofyllantal

Havets färg beror på hur solljus interagerar med allt som finns i vattnet. Enbart vattenmolekyler absorberar nästan allt solljus utom den blå delen av spektrumet, som reflekteras tillbaka ut. Därav, relativt karga områden med öppet hav framstår som djupblå från rymden. Om det finns några organismer i havet, de kan absorbera och reflektera olika våglängder av ljus, beroende på deras individuella egenskaper.

Växtplankton, till exempel, innehåller klorofyll, ett pigment som absorberar mestadels i de blå delarna av solljus för att producera kol för fotosyntes, och mindre i de gröna delarna. Som ett resultat, mer grönt ljus reflekteras tillbaka ur havet, ger algerrika regioner en grönaktig nyans.

Sedan slutet av 1990-talet, satelliter har tagit kontinuerliga mätningar av havets färg. Forskare har använt dessa mätningar för att härleda mängden klorofyll, och i förlängningen, växtplankton, i ett givet havsområde. Men Dutkiewicz säger att klorofyll inte nödvändigtvis speglar den känsliga signalen om klimatförändringar. Eventuella betydande svängningar i klorofyll kan mycket väl bero på global uppvärmning, men de kan också bero på "naturlig variation" - normal, periodiska ökningar av klorofyll på grund av naturliga, väderrelaterade fenomen.

"En El Niño- eller La Niña-händelse kommer att skapa en mycket stor förändring i klorofyll eftersom det förändrar mängden näringsämnen som kommer in i systemet, " säger Dutkiewicz. "På grund av dessa stora, naturliga förändringar som sker med några års mellanrum, det är svårt att se om saker och ting förändras på grund av klimatförändringarna, om du bara tittar på klorofyll."

Modellering av havsljus

Istället för att titta på härledda uppskattningar av klorofyll, teamet undrade om de kunde se en tydlig signal om klimatförändringens effekt på växtplankton genom att titta på satellitmätningar av reflekterat ljus enbart.

Gruppen justerade en datormodell som den har använt tidigare för att förutsäga växtplanktonförändringar med stigande temperaturer och havsförsurning. Denna modell tar information om växtplankton, till exempel vad de konsumerar och hur de växer, och införlivar denna information i en fysisk modell som simulerar havets strömmar och blandning.

Vid den här tiden, forskarna lade till ett nytt element till modellen, som inte har inkluderats i andra havsmodelleringstekniker:förmågan att uppskatta de specifika våglängderna av ljus som absorberas och reflekteras av havet, beroende på mängden och typen av organismer i en viss region.

"Solljus kommer in i havet, och allt som finns i havet kommer att absorbera det, som klorofyll, " säger Dutkiewicz. "Andra saker kommer att absorbera eller sprida det, som något med ett hårt skal. Så det är en komplicerad process, hur ljus reflekteras tillbaka ut ur havet för att ge det dess färg."

När gruppen jämförde resultaten av sin modell med faktiska mätningar av reflekterat ljus som satelliter hade tagit tidigare, de fann att de två var tillräckligt överens om att modellen skulle kunna användas för att förutsäga havets färg när miljöförhållandena förändras i framtiden.

"Det fina med den här modellen är, vi kan använda det som ett laboratorium, en plats där vi kan experimentera, för att se hur vår planet kommer att förändras, " säger Dutkiewicz.

En signal i blått och grönt

När forskarna höjde de globala temperaturerna i modellen, med upp till 3 grader Celsius år 2100 – vad de flesta forskare förutspår kommer att inträffa under ett business-as-usual-scenario med relativt inga åtgärder för att minska växthusgaserna – fann de att ljusets våglängder i det blå/gröna vågbandet reagerade snabbast.

Vad mer, Dutkiewicz observerade att detta blå/gröna vågband visade en mycket tydlig signal, eller skift, speciellt på grund av klimatförändringar, ägde rum mycket tidigare än vad forskare tidigare har funnit när de tittade på klorofyll, som de räknade med skulle uppvisa en klimatdriven förändring till 2055.

"Klorofyll förändras, men du kan inte riktigt se det på grund av dess otroliga naturliga variation, " säger Dutkiewicz. "Men du kan se en betydande, klimatrelaterade förändringar i vissa av dessa vågband, i signalen som skickas ut till satelliterna. Så det är där vi bör leta i satellitmätningar, för en verklig signal om förändring."

Enligt deras modell, klimatförändringar förändrar redan sammansättningen av växtplankton, och i förlängningen, havens färg. I slutet av århundradet, vår blå planet kan se synligt förändrad ut.

"Det kommer att finnas en märkbar skillnad i färgen på 50 procent av havet i slutet av 2000-talet, " Dutkiewicz säger. "Det kan potentiellt vara ganska allvarligt. Olika typer av växtplankton absorberar ljus olika, och om klimatförändringarna flyttar ett samhälle av växtplankton till ett annat, som också kommer att förändra vilka typer av näringsväv de kan stödja. "