Den biologiska oceanografen Hugh Ducklow studerar det marina näringsnätet och hur det interagerar med havens fysiska egenskaper. Mycket av hans arbete är genom U.S. Long Term Ecological Research Program (LTER), där forskare under årtionden har undersökt trender över 28 land- och havsregioner i USA, tillsammans med några platser på andra håll. Förutom det öppna havet omfattar studierna öknar, kuster, floder, skogar och gräsmarker. Från 2012 till 2018, medan han var baserad på Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, ledde Ducklow Palmer Station LTER-platsen, basen för årliga kryssningar genom 800 kilometer iskallt vatten utanför den antarktiska halvön.

För att uppmärksamma LTER-programmets 40-årsjubileum har forskare precis publicerat en serie artiklar om hur klimatförändringarna påverkar deras webbplatser. Ducklow ledde avsnittet om öppna havsmiljöer, som förutom Antarktis sträcker sig över vatten utanför Alaska, Kalifornien och nordöstra USA. Vi pratade med honom om arbetet, hans och kollegornas observationer och framtidsutsikter.

Varför ska vi bry oss om vad klimatförändringarna gör med haven?

Förutom det faktum att skaldjur utgör den största proteinkällan för cirka 3 miljarder människor, suger havet upp en stor mängd överskottsvärme och mänskligt genererad koldioxid. Cirka 90 procent av all överskottsvärme som producerats av växthuseffekten sedan den industriella revolutionen finns i havet. Det globala havet har också tagit upp ungefär en fjärdedel till en tredjedel av våra koldioxidutsläpp. Båda dessa processer håller lufttemperaturerna svalare än de skulle vara annars. Men båda kommer med kostnader. Havet värms upp som ett resultat av tillsatt värme. Den mänskliga uppvärmningssignalen kan till och med upptäckas i södra oceanen. Ökat koldioxidupptag orsakar havets försurning. De ekologiska konsekvenserna av uppvärmning och försurning har precis börjat förstås, och den framtida kapaciteten att fortsätta lagra värme och CO₂ är inte säker.

Vilka är några av de fysiska effekterna av klimatet på havsvatten, och var ser vi dem starkast?

Som jag sa, haven värms upp, men uppvärmningen och dess effekter är inte enhetliga i rum eller tid. Det fysiska systemets reaktioner på klimatförändringar är starkast och tydligast på ytan. Detta är viktigt eftersom värme och CO₂ byts ut där, och för att växtplankton växer där. Beroende på vindar, stormar och strömmar kommer ytskiktet att variera i djup från nästan noll på sommaren till över 1 000 meter på vintern. Temperaturen påverkar ytskiktets djup, och när det gäller polära platser, så påverkar även havsisen. Nära polerna på vintern finns det liten eller ingen solinstrålning, och havsisen täcker havet. På våren, när solen går upp, värms ythavet och havsisen smälter, vilket tillför sötvatten till ytan. Varmare, friskare vatten är mindre tät än kallare, saltare vatten, och ytskiktet är därför grunt.

Ytblandningsdjupet blir grundare på de flesta platser i LTER-nätverket – Palmer Antarktis, nordöstra amerikanska kontinentalsockeln och norra Alaskabukten. Men ingen förändring är uppenbar i Kalifornienströmmen, trots ett obrutet rekord av observationer sedan 1950 och värmande vattentemperatur.

Vilka biologiska förändringar äger rum? Kan vi tydligt koppla dem till klimattrender?

Havets ytskikts djup styr hastigheten för växtplanktontillväxt. När ytskiktet är grunt hålls växtplankton kvar i solljus, men saknar tillgång till näringsämnen. När ytskiktet är djupt kan växtplankton komma åt näringsämnen, men solljuset är svagt eller saknas. Trender i växtplankton har dokumenterats i vissa, men inte alla LTER-platser. Växtplankton är de enda organismerna som kan detekteras med satellit, men trender i deras överflöd är inte så tydliga som de fysiska förändringar jag just beskrev. Bevisen på växtplankton ökar i Antarktis, som förväntat i ett grundare ytskikt, men minskar över nordöstra amerikanska kontinentalsockeln, trots grundning. Inga förändringar är uppenbara på de andra webbplatserna. Zooplankton visar ökande trender i Antarktis, som förväntat från ökande växtplankton. De ökar också i California Current-systemet, även om växtplankton inte gör det.

Även om det finns långa register över förändringar i Kalifornienströmmen (70 år), nordöstra amerikanska hyllan (40 år) och Palmer Antarktis (30 år) är det fortfarande svårt att med säkerhet säga att de är orsakade av klimatförändringar. Numeriska simuleringar av satellitbilder tyder på att cirka 50 år är den minsta tid som krävs för att tillskriva observerade trender klimatförändringar. Vissa ändringar kan ta ett sekel eller längre.

Händer det saker i Antarktis som skiljer den från de andra regionerna?

Ett enkelt särdrag för arktiska och antarktiska hav är att de är täckta av havsis. Men istäckets varaktighet och omfattning minskar i takt med att polarhaven värms upp. Livscyklerna för arktiska och antarktiska organismer som krill och sjöfåglar är anpassade till säsongens istäcke och kan störas när täcket minskar. Havsis blockerar solljus, vilket påverkar tidpunkten för växtplanktonblomningar. Även om havsisen minskar snabbt vid båda polerna är effekterna osäkra. När havsisen minskar öppnas nya, tidigare istäckta områden för tillväxt av växtplankton, vilket utökar det marina polära ekosystemet. Men när täcket försvinner kommer dess bidrag av sötvatten att minska och det färska lagret vid havsytan minskar. Nettoeffekten för det framtida ekosystemet är oklart.

Ett annat utmärkande drag hos Antarktiska ekosystem verkar vara mångfalden och takten i den ekologiska förändringen. Vi antar att klimatförändringar och klimatförändringar först påverkar fysiska egenskaper och sedan orsakar de fysiska förändringarna ekologiska reaktioner. De ekologiska responserna kan organiseras i de som börjar med växtplankton vid basen av näringsväven, det vill säga responser nerifrån och upp; och de som påverkar de översta rovdjuren som pingviner med förändringar som krusar ner genom näringsväven, eller top-down-svar. I Antarktis ser vi förändringar i klimatet och de fysiska systemen och i hela näringsväven, från kiselalger till krill till pingviner. Dessa processer möts i mitten och konvergerar på krill.

Har vi observerat dessa webbplatser tillräckligt länge för att få en god uppfattning om vart saker är på väg i framtiden?

Hur lång tid det behövs för att veta vart ekosystemen är på väg beror på vilka förändringar man är intresserad av. Det är lättare att observera och dokumentera fysiska förändringar, eftersom systemet bara består av värme, salthalt, strömmar och blandning – och för att vi har bra instrument för att göra precisionsmätningar av dessa variabler. Däremot behövs dussintals till hundratals olika mätningar för att karakterisera variationen i biologiska svar av flera arter, och endast ett fåtal kan tas prov och mätas på distans. Med några få viktiga undantag beror det fortfarande på att enskilda forskare och studenter gör enkla, tidskrävande och tråkiga visuella räkningar en och en för att upptäcka förändringar för många grupper av organismer. Dessa mätningar håller långsamt på att bli automatiserade. Drönare, fartygsmonterad akustik, nedsänkbara digitala videokameror och instrumenterade havsglidare börjar ge en heltäckande utsikt över haven i realtid. Havsis och isberg är fortfarande stora hinder för att lämna instrument utan uppsikt över vintern, så många mätningar är begränsade till isfria sommarmånader.

Vilka har varit några av utmaningarna med att arbeta utanför Antarktis?

Det finns de uppenbara utmaningarna:planering av arbete på en avlägsen plats – resan tar sju dagar från dörr till dörr åt alla håll – och förutse allt du kan behöva. Det är stormar, öppet hav, istäcke. Vi fastnade i isen i två veckor i september 2001. Sedan problem med leveranskedjan, personalrekrytering och upprätthållande av en högkvalitativ tidsserie av observationer och mätningar under decennier. Arbetet med att förbereda nästa år börjar bokstavligen innan du åker till fartyget i år. Projektet är inte bara tidsserien, utan levande, utvecklande vetenskaplig forskning med fel svängar, återvändsgränder och oväntade upptäckter. Trots utmaningarna är det en vacker och spännande arbetsplats. + Utforska vidare

Uppvärmande hav kan tvinga Nya Zeelands spermier och blåvalar att flytta till svalare södra vatten

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.