En resa mot havet, med stöd av både NASA och National Science Foundation, seglade i norra Atlanten i början av maj - uppföljaren till en kompletterande expedition, samfinansierat av NSF, som ägde rum i norra Stilla havet 2018.

Utplaceringen 2021 av NASA:s oceanografiska fältkampanj, kallad Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS), består av 150 forskare och besättning från mer än 30 statliga, universitet och privata icke-statliga institutioner. Teamet är spritt över tre oceanografiska forskningsfartyg, som kommer att mötas i internationellt vatten väster om Irland över undervattensslätten Porcupine Abyssal. Under hela fältkampanjen, forskare kommer att använda en mängd olika instrument från de tre fartygen:RRS James Cook och RRS Discovery, drivs av National Oceanography Center i Southampton, STORBRITANNIEN, plus ett tredje fartyg chartrat av Ocean Twilight Zone-projektet vid Woods Hole Oceanographic Institution och som drivs av Marine Technology Unit i Vigo, Spanien. Totalt 52 högteknologiska plattformar, inklusive flera autonoma fordon, kommer att göra mätningar och kontinuerligt samla in data.

Mycket av vetenskapen fokuserar på havets roll i den globala kolcykeln. Genom kemiska och biologiska processer, havet tar bort lika mycket kol från atmosfären som allt växtliv på land. Forskare hoppas kunna undersöka mekanismerna för havets biologiska pump ytterligare – den process genom vilken kol från atmosfären och ythavet binds upp på lång sikt i djuphavet. Denna process involverar mikroskopiska växtliknande organismer som kallas växtplankton, som genomgår fotosyntes precis som växter på land och kan ses från rymden genom att observera förändringar i havets färg. Deras produktivitet har en betydande inverkan på jordens kolcykel, som sedan i sin tur påverkar jordens klimat.

"Detta är den första heltäckande studien av havets biologiska kolpump sedan Joint Global Ocean Flux-studien på 1980- och nittiotalet, "sa EXPORTS science lead David Siegel från University of California, Santa Barbara. "Under tiden, vi har fått avancerade mikroskopiska bildverktyg, genomik, robusta kemiska och optiska sensorer och autonoma robotar – en massa saker som vi inte hade då, så vi kan ställa mycket svårare och mycket viktigare frågor." Dessa frågor inkluderar hur mycket organiskt kol som lämnar ythavet, och vilken väg tar den när den tar sig till djupet där den kan beslagtas under långa tidsperioder, från årtionden till tusentals år.

Forskare känner till tre stora vägar som transporterar kol från atmosfären och övre havet till den mörka "skymningszonen" som ligger 1, 640 fot (500 m) eller mer under ytan:1) fysisk havsblandning och cirkulation kan transportera suspenderat organiskt material djupt ner i havets inre, 2) partiklar kan sjunka på grund av gravitationen, ofta efter att ha passerat genom tarmarna på organismer, och 3) dagliga vertikala migrationer av djur som pendlar mellan övre och nedre havsnivåer tar med sig kol för resan.

EXPORTS syftar till att bestämma hur mycket kol som transporteras av var och en av dessa vägar genom att observera kolpumpen i två mycket olika havsekosystem med varierande förhållanden. Forskarna valde norra Stilla havet och norra Atlanten eftersom de befinner sig på motsatta ändar av produktivitetsspektrumet (dvs fotosynteshastigheter) och upplever två motsatta ytterligheter av fysiska processer som virvlar och strömmar. Att studera kontrasterande miljöer kommer att ge maximal insikt för modellering av framtida klimatscenarier.

Enligt Ivona Cetinić, projektforskare och oceanograf vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, norra Stilla havet liknar en öken eller "enkel äng" på land. Den är låg i näringsämnen, i detta fall behövs järn för fotosyntes, och upplevelser bland de minsta virvlande strömmar som finns i de globala haven. Därför, Koltransport till djuphavet drivs främst av små djur, kallas djurplankton, konsumerar mikroskopiskt växtliknande växtplankton och sedan utsöndrar det rötade kolet till djupen nedanför.

Växtplanktondrift i det övre, solsken i havet där de kan omvandla koldioxid som kommer från atmosfären till organiskt kol. När förutsättningarna är de rätta, som ofta är fallet i den nordatlantiska regionen den här tiden på året, växtplanktonpopulationer växer eller "blommar" så snabbt att de kan ses från rymden.

Nordatlanten har också starka strömmar som kontrasterar mot norra Stilla havets långsammare rörliga vatten. Tillsammans med dem, Siegel säger att de räknar med minst fyra dagar med hårt väder under den månadslånga expeditionen.

Men EXPORT-data gäller inte bara havet utan kommer också att användas för att förbättra satellittekniken. Cetinić arbetar med flera optiska mätningar som kommer från havsfärgsatelliter, som mäter ljus som reflekteras från havsytan i delar av det synliga spektrumet, det vi känner som regnbågens färger. Dessa ger insikter som mätningar av havets temperatur, salthalt, kol och koncentrationer av ett grönt pigment som kallas klorofyll. Dock, de olika arterna av växtplankton som upptar olika delar av ekosystemet och kolkretsloppet producerar olika mängder och nyanser av grönt klorofyll, skapar nyanser i havsfärg som nuvarande havsfärgsatelliter inte kan "se".

Bland instrumenten som används under EXPORT är mycket raffinerade, och i vissa fall experimentell, optiska instrument för att mäta havsfärger som liknar instrument som kommer att finnas ombord på framtida NASA-satelliter. Forskare kommer att kombinera dessa satellitsimulerande mätningar med detaljerade observationer av växtplanktonsamhället på ytan – genom genomik, bildanalys eller pigmentsammansättning – såväl som kunskap om deras fysiologi för att göra det möjligt för satelliter att upptäcka oceanisk mångfald och i slutändan deras roll i oceanernas kolcykel.

Nästa generation av dessa satelliter, NASA:s plankton, Aerosol, Moln, Ocean Ecosystem (PACE) uppdrag, kommer att vara hyperspektral, vilket innebär att den kommer att kunna samla in data över hela det synliga spektrumet, och fånga information bortom den synliga delen, inklusive ultraviolett och kortvågigt infrarött.

"Det vi ser medan vi är på marken ger oss en förståelse för vilken typ av information vi kommer att behöva se från rymden för att fånga de kritiska processer vi vill kunna förstå bättre, " Cetinić sa. "Det driver utvecklingen av den rymdbaserade tekniken. I gengäld, data som kommer från de nya jordobservationssatelliterna gör det möjligt för forskare, som de som deltar i EXPORT, att gå och hitta annan viktig information eller utveckla nya tekniker för att komplettera den nuvarande, eller till och med inspirera en ny, Jordobservationssatellit. Detta eviga samspel mellan teknik och vetenskap, gynnar i slutändan hela mänskligheten."

Efter fältarbetet, en ytterligare fas av EXPORT kommer att fokusera på att använda data som samlats in från Atlanten och Stilla havet för att förutsäga hur koltransportvägarna kan se ut i framtida hav.

"Vad vi för närvarande vet är begränsat till vad som händer i haven idag, "sa Siegel." Med de pågående klimatdrivna förändringarna, ses inte bara i havet utan över jordens system, vi måste kunna förutsäga vad som kommer att hända 2075, och vi har ännu inte den prediktiva förståelsen."

Eftersom så många egenskaper hos en enda del av havet kommer att mätas samtidigt, befintliga datormodeller kommer att ha en rik och mer komplett datamängd som visar kolpumpen på vilken man kan basera prognoser på vad som kan hända inom en snar framtid djupare i havet – och vilka effekterna kan bli på kolets kretslopp.

"Det är en så bra datauppsättning att den kommer att ge näring åt forskning i årtionden framöver, sa Cetinić.

Både PACE och EXPORTS upplevde förseningar på grund av covid-19-pandemin. Nu, för att garantera säkerheten och tryggheten för varje inblandad individ, en två veckors karantän krävdes innan protokoll för segling och social distans antogs för den första veckan ombord på fartygen. Siegel säger att teammedlemmarnas mångfald och engagemang, det oöverträffade stödet från Storbritanniens National Oceanography Center för att säkerställa att fartygen och besättningen är redo och säkra för segling, det ihållande engagemanget från NASAs högkvarter, och en hel del lycka är anledningen till att kampanjen fortfarande kan fortsätta i år.