Een groot multidisciplinair team van wetenschappers, uitgerust met geavanceerde onderwaterrobotica en een reeks analytische instrumenten, zal in augustus vertrekken naar de noordoostelijke Stille Oceaan. De missie van het team voor NASA en de National Science Foundation (NSF) is om het leven en de dood te bestuderen van de kleine organismen die een cruciale rol spelen bij het verwijderen van koolstofdioxide uit de atmosfeer en in de koolstofcyclus van de oceaan.

Meer dan 100 wetenschappers en bemanningsleden van meer dan 20 onderzoeksinstellingen zullen vanuit Seattle aan boord gaan voor de oceanografische campagne Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS) van NASA. EXPORTS is de eerste gecoördineerde multidisciplinaire wetenschappelijke campagne in zijn soort om het lot en de koolstofcycluseffecten van microscopisch plankton te bestuderen met behulp van twee onderzoeksvaartuigen en verschillende onderwaterrobotplatforms.

De onderzoeksschepen, de R/V Revelle en R/V Sally Ride, beheerd door de Scripps Institution of Oceanography, Universiteit van Californië, San Diego, zal 200 mijl westwaarts zeilen de open oceaan in. Van deze zeelaboratoria, onderzoekers zullen het plankton verkennen, evenals de chemische en fysische eigenschappen van de oceaan van het oppervlak tot een halve mijl lager in de schemerzone, een gebied met weinig of geen zonlicht waar de koolstof uit het plankton kan worden vastgelegd, of buiten de atmosfeer gehouden, voor perioden variërend van tientallen tot duizenden jaren.

"Door twee schepen in te zetten, kunnen we complexe oceanografische processen observeren die zowel in ruimte als in tijd variëren die we met één enkel schip niet zouden kunnen vastleggen, " zei Paula Bontempi, programmamanager voor Ocean Biology and Biogeochemistry bij NASA Headquarters.

Fytoplankton is klein, plantachtige organismen die in de zonovergoten bovenzee leven. Ze gebruiken zonlicht en opgeloste koolstofdioxide die vanuit de atmosfeer de bovenste oceaan binnenkomen om te groeien door middel van fotosynthese, dat is een manier waarop oceaanorganismen koolstof in de cyclus brengen. Als primaire producenten, fytoplankton speelt een belangrijke rol bij het verwijderen van koolstofdioxide uit de lucht en het produceren van zuurstof. Wanneer fytoplankton wordt geconsumeerd door plankton of sterft, hun overblijfselen zinken en een deel van hun koolstof wordt naar de diepte geëxporteerd.

Hoewel de belangrijkste exportroutes van hoe koolstof door de oceaan beweegt bekend zijn, de omvang van de koolstofstromen in de verschillende oceanische paden en hun afhankelijkheid van ecosysteemkenmerken zijn slecht bekend. Wetenschappers van het EXPORTS-team onderzoeken hoeveel koolstof door de oceaan beweegt in de bovenste zonovergoten laag en in de schemerzone en hoe ecologische processen in de oceaan het lot en de opslag van koolstof beïnvloeden. Deze informatie is nodig om te voorspellen hoeveel koolstof op welke tijdschalen terug de atmosfeer in zal gaan, of hoeveel koolstof wordt geëxporteerd naar de diepten van de oceaan.

"De koolstof die mensen in de atmosfeer brengen, warmt de aarde op, " zegt Mike Sieracki, programmadirecteur in de afdeling Ocean Sciences van de National Science Foundation. "Veel van die koolstof vindt uiteindelijk zijn weg naar de oceaan en wordt getransporteerd naar de diepe oceaan, waar het is afgezonderd en gedurende lange tijd niet in de atmosfeer zal terugkeren. Dit project zal ons helpen de biologische en chemische processen te begrijpen die de koolstof, en een basis leggen voor het monitoren van deze processen als het klimaat verandert."

Zeven jaar in de maak, de campagne van 2018 was een enorme onderneming, zei David Siegel, EXPORT wetenschap leiden van de Universiteit van Californië, Santa Barbara.

"De impact die de EXPORT-gegevens zullen hebben om te begrijpen hoe onze planeet verandert, zal aanzienlijk zijn, Siegel zei. "NASA's oceaankleurensatellietrecord laat ons zien dat deze ecosystemen zeer gevoelig zijn voor klimaatvariabiliteit. Veranderingen in fytoplanktonpopulaties beïnvloeden het mariene voedselweb, aangezien fytoplankton door veel grote en kleine diersoorten wordt gegeten. De inzet is hoog."

De langdurige verwijdering van organische koolstof uit de atmosfeer naar de diepten van de oceaan staat bekend als de biologische pomp, die via drie hoofdprocessen werkt. Eerst, met koolstof beladen deeltjes van het oceaanoppervlak zinken door de zwaartekracht, zoals gebeurt met dood fytoplankton of uitwerpselen geproduceerd door kleine dieren die zoöplankton worden genoemd. Tweede, zoöplankton migreert dagelijks dicht bij het oppervlak van de oceaan om zich te voeden met fytoplankton en keert 's nachts terug naar de schemerzone. Derde, fysieke processen in de oceaan, zoals de grote wereldwijde omslaande circulatie van de oceanen en kleinschalige turbulente wervelingen, gesuspendeerde en opgeloste koolstof naar grote diepten transporteren.

NASA's satellieten bieden een verscheidenheid aan metingen van de bovenste laag van de oceaan, zoals temperatuur, zoutgehalte en de concentratie van een pigment in alle planten genaamd chlorofyl. EXPORT zal gegevens leveren over de rol van fytoplankton en plankton in de biologische pomp en de export van koolstof, informatie die belangrijk is voor het plannen van waarnemingen en technologieën die nodig zijn voor toekomstige satellietmissies voor aardobservatie.

"We hebben EXPORT ontworpen om tegelijkertijd de drie basismechanismen te observeren waarmee koolstof van de bovenste oceaan naar de diepte wordt geëxporteerd, Siegel zei. "We proberen de biologie en ecologie van fytoplankton in het oppervlaktewater beter te begrijpen, hoe die eigenschappen het transport van koolstof naar de schemerzone sturen, en wat gebeurt er dan met de koolstof in het diepere water."

Een van de vele technologieën die worden gebruikt, is een autonoom platform, een "Wirewalker" genaamd, dat golfenergie gebruikt om instrumenten langs een strakke draad van het oppervlak naar 1 te verplaatsen. 600 voet (500 meter) diep tijdens het meten van de temperatuur, zoutgehalte, zuurstof, koolstof, en chlorofylconcentratie.

Een 6,5 voet lang (2 meter lang) op afstand bestuurbaar onderwatervoertuig genaamd de Seaglider zal vergelijkbare metingen verzamelen, maar op dieptes tot 3, 200 voet (1, 000 meter.)

Aan boord van het schip, monsters zullen worden verzameld voor genomische sequencers om de samenstelling van het fytoplankton te beoordelen, zoöplankton, bacteriële en archaeale gemeenschappen.

Nieuwe microscopische beeldvormingstools zullen ook worden gebruikt door EXPORTS-wetenschappers, inclusief een high-throughput microscoop genaamd de Imaging FlowCytobot die real-time, hoge resolutie beelden van miljarden individueel fytoplankton. De Underwater Vision Profiler meet de grootte van zinkende aggregaatdeeltjes en verzamelt beelden van zoöplanktonorganismen.

Op de bovenbouw van het schip worden optische instrumenten gemonteerd die de kleur van de oceaan met een zeer hoge spectrale resolutie zullen meten. van de ultraviolette golflengten tot de kortegolf-infraroodbanden van het elektromagnetische spectrum. Fytoplankton heeft verschillende spectrale "kenmerken" - kleuren van licht die ze absorberen en verstrooien. Door die handtekeningen te identificeren, kunnen wetenschappers algoritmen ontwikkelen voor toekomstige oceaankleurmissies per satelliet, zoals Plankton van NASA, Aërosol, Wolk, oceaan Ecosysteem (PACE) missie. Vanuit de ruimte, PACE zal vergelijkbare optische instrumenten gebruiken om het type en de hoeveelheid fytoplankton in de oceaan te onderscheiden.

"Wat we van EXPORT zullen leren, zal ons een dieper begrip geven van hoe planktonsoorten en andere micro-organismen zoals bacteriën omgaan met hun omgeving, "zei Bontempi. "Niet alleen zullen we deze informatie kunnen gebruiken om nieuwe benaderingen te ontwikkelen voor het identificeren en kwantificeren van planktonsoorten vanuit de ruimte, we zullen kunnen voorspellen hoeveel koolstof terug de atmosfeer in zal fietsen en hoeveel er voor de lange termijn naar de oceaanbodems zal worden getransporteerd."