De oceanen van de aarde hebben ongeveer een derde van de koolstofdioxide opgenomen die door de mens aan de atmosfeer is toegevoegd door het gebruik van fossiele brandstoffen en andere activiteiten. Dat is goed nieuws voor degenen die zich zorgen maken over de opwarming van de aarde, maar slecht nieuws voor het zeeleven dat gevoelig is voor de toenemende zuurgraad die extra CO2 in de oceaanwateren brengt.

Dr. Elizabeth Shadwick, een assistent-professor aan het William &Mary's Virginia Institute of Marine Science, heeft nu een hightech ligplaats ingezet onder de seizoensgebonden met ijs bedekte wateren rond Antarctica om de verzuring van de oceaan in poolgebieden beter te begrijpen, vooral tijdens de slecht bestudeerde wintermaanden. Financiering voor haar werk komt van het Office of Polar Programs van de National Science Foundation.

Daten, kennis van CO2-niveaus in de Zuidelijke Oceaan rond Antarctica is bijna uitsluitend afhankelijk van gegevens die zijn verzameld door onderzoeksschepen en bevoorradingsschepen tijdens de korte zomerperiode van ijsvrij water. Shadwick's ligplaats zal dit record het hele jaar verlengen, dwars door de lange poolwinter.

De ligplaats, een lijn verankerd aan de zeebodem in ongeveer 1, 600 voet water en verticaal gehouden door drijvers ter grootte van een strandbal, eindigt ongeveer 60 voet onder het zeeoppervlak, ver onder de erosie van het winterse zee-ijs. Het bevat geavanceerde sensoren die om de drie uur concentraties van opgeloste koolstofdioxide kunnen meten gedurende de zes maanden durende inzet van de ligplaats. Andere sensoren meten de pH, temperatuur, zoutgehalte, en opgeloste zuurstof. Alle gegevens worden opgeslagen op waterdichte geheugenkaarten totdat de ligplaats is opgehaald.

"Met de autonome sensoren kunnen we de volledige jaarlijkse cyclus van koolstofdioxide in de kustwateren van Antarctica volgen, Voor de eerste keer, ", zegt Shadwick. Zij en VIMS-mariene technicus Olivia De Meo zijn van plan om de zojuist geplaatste ligplaats begin mei - laat in de herfst op Antarctica - te herstellen, wanneer ze ook een tweede identieke ligplaats zullen inzetten die in december volgend jaar wordt hersteld.

Het inzetten en ophalen vindt plaats vanaf het Amerikaanse onderzoeksschip Laurence M. Gould. Het ophalen omvat het gebruik van opgeslagen GPS-coördinaten om de ligplaats te verplaatsen - die niet zichtbaar is aan de oppervlakte - en deze vervolgens van de zeebodem te bevrijden door een ontgrendelingsmechanisme met een akoestisch signaal te pingen. De ligplaats kan dan naar de oppervlakte drijven, waar bemanningsleden het met een grijper vasthaken en aan boord hijsen.

Verzuring in de Zuidelijke Oceaan

Omdat de Zuidelijke Oceaan zo'n belangrijke rol speelt in de wereldwijde koolstofcyclus - bijna de helft van de door de mens veroorzaakte emissies die zijn opgenomen door zeewater - opslaat - zouden gegevens van de ligplaatsen van Shadwick moeten leiden tot een beter begrip van de wereldwijde klimaatverandering en een beter vermogen om de wereldwijde impact ervan voorspellen.

"Van waarnemingen in plaatsen als Hawaii en Bermuda, we weten dat de oceaan aan het oppervlak de toename van atmosferische CO2 volgt ", zegt Shadwick. "Wat minder goed wordt begrepen, is of de poolzeeën deze toename ook volgen, omdat ze elk jaar enkele maanden geen contact hebben met de atmosfeer als er ijs aanwezig is."

Modellering op basis van metingen aan boord van recente Antarctische zomers suggereert dat stijgende CO2-concentraties vanaf 2070 tot grote problemen zullen leiden voor het lokale zeeleven - wanneer de resulterende pH-daling gevolgen kan hebben voor dieren die schelpen of skeletten vormen uit calciumcarbonaatmineralen. Shadwick en andere wetenschappers maken zich vooral zorgen over de gevolgen voor microscopisch kleine organismen op de bodem van het polaire voedselweb, en hoe die effecten zich kunnen uitbreiden om vissen te beïnvloeden, pinguïns, zeehonden, en walvissen.

Inzicht in de winterse omstandigheden, zegt Shadwick, is belangrijk omdat, in tegenstelling tot in de zomer, wanneer fotosynthese door zeealgen CO2 uit het water verwijdert en de pH verhoogt, in de winter komt CO2 vrij door ademhaling of bederf van algenbloei, wat leidt tot omstandigheden met een van nature lage pH.

"Met behulp van schaarse waarnemingen van winterse omstandigheden, " zegt Shadwick, "onze modellen voorspellen dat de Zuidelijke Oceaan tegen het jaar 2030 onderverzadigd zal zijn met betrekking tot carbonaat - ongeveer 30 jaar eerder dan projecties op basis van omstandigheden die een jaargemiddelde vertegenwoordigen, en tot 70 jaar eerder dan die op basis van zomerwaarnemingen alleen." Carbonaatonderverzadiging betekent dat calciumcarbonaatmineralen energetisch duurder zijn voor dieren om te maken; carbonaatschillen kunnen zelfs beginnen op te lossen in zeewater met een lage pH.

Shadwick waarschuwt, echter, dat deze projecties zouden kunnen veranderen op basis van een aantal feedbackmechanismen die nog steeds slecht worden begrepen. Deze omvatten aanhoudende opwarming; opfrissing door toegenomen smelten van zee-ijs en gletsjers op het land; verbeterde biologische productiviteit door een langer openwaterseizoen, verhoogde levering van voedingsstoffen, of allebei; en het binnendringen van koolstofrijk water op het continentaal plat vanuit diepere wateren in de buurt.

Om deze mogelijke feedback beter te begrijpen, Shadwick en medewerkers zullen de aanmeergegevens analyseren in het licht van een hele reeks andere biologische en fysieke metingen van omringende wateren. De ligplaats ligt binnen het studiegebied van het Palmer Antarctic Long-Term Ecological Research-programma, die - zoals de naam al aangeeft - werd opgericht om de veranderingen van jaar tot jaar en van decennium tot decennium in de ecosystemen van het West-Antarctisch Schiereiland nabij het Amerikaanse Palmer Research Station te volgen. Wetenschappers van PAL-LTER verzamelen sinds 1991 gegevens in het gebied. Het project van Shadwick is ook goedgekeurd door het Southern Ocean Observing System (SOOS).