När vulkanen Kilauea bröt ut 2018, den injicerade miljontals kubikfot smält lava i det näringsfattiga vattnet utanför den stora ön Hawai'i. Det lavapåverkade havsvattnet innehöll höga koncentrationer av näringsämnen som stimulerade växtplanktontillväxt, vilket resulterade i en omfattande plym av mikrober som kunde detekteras via satellit.

En studie ledd av forskare vid University of Hawai'i (UH) i Mānoa och University of Southern California (USC) och publicerad idag i tidskriften Vetenskap avslöjade att denna biologiska respons berodde på oväntat höga koncentrationer av nitrat, trots den försumbara mängden kväve i basalt lava. Forskargruppen fastställde att nitrat fördes till ytan av havet när värme från den betydande tillförseln av lava i havet värmde upp näringsrika djupa vatten och fick dem att stiga upp, förse det solbelysta skiktet med näringsämnen.

Efter att ha observerat växtplanktonblomningen i satellitbilder, UH Mānoa Center for Microbial Oceanography:Research and Education (C-MORE) organiserade en snabb respons oceanografisk expedition på UH forskningsfartyg Ka'imikai-O-Kanaloa från 13 till 17 juli, 2018 — mitt i Kilaueas aktivitet. Teamet genomförde operationer dygnet runt i närheten av lavainträdesregionen för att testa vattenkemi och det biologiska svaret på den dramatiska händelsen.

Co-lead författare Sam Wilson på C-MORE och Nick Hawco, en USC -forskare som kommer att ansluta sig till UH Mānoa Oceanography Department i januari 2020, testade hypotesen att lava och vulkaniskt stoft skulle stimulera mikroorganismer som begränsas av fosfat eller järn, som är kemikalier som finns i lava.

Som det blev, eftersom det var så mycket lava i vattnet, det lösta järnet och fosfatet kombineras till partiklar, gör dessa näringsämnen otillgängliga för mikrober. Ytterligare, djup, uppvärmt havsvatten blev flytande och tog upp nitrat som fick andra klasser av växtplankton att blomma.

Det är möjligt att denna mekanism har lett till liknande havsbefruktningshändelser tidigare i samband med bildandet av Hawaiiöarna och andra betydande vulkanutbrott, föreslår författarna. Beroende på deras plats, ihållande utbrott i denna skala kan också underlätta ett stort flöde av nitrat från djuphavet och stör havscirkulationen i större skala, biologi och kemi.

"Expeditionen i juli 2018 gav en unik möjlighet att se på egen hand hur en massiv tillförsel av externa näringsämnen förändrar marina ekosystem som är fint anpassade till förhållanden med låga näringsämnen, "sa Wilson." Ekosystemets svar på en så omfattande tillsats av näringsämnen observeras eller tas inte sällan i realtid. UH har en stark tradition av inte bara vulkanforskning, men tittar också på dess inverkan på den omgivande miljön som havet, grundvatten, atmosfär. Den här senaste forskningen förbättrar vår förståelse för interaktioner mellan lava-havsvatten inom det mycket bredare sammanhanget mellan land-havsförbindelser. "

"Vetenskap är en lagsport, sa Dave Karl, seniorförfattare och meddirektör för UH Mānoa Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology (SCOPE). "SCOPE betonar samarbete, där forskare med kompletterande färdigheter samlades för att slutföra detta unika, tvärvetenskapligt projekt. "

I framtiden, teamet hoppas kunna prova de nybildade dammarna på botten av Halema'uma'u-kratern och ytterligare undersöka interaktioner mellan lava och havsvatten i laboratoriet.