Een zeereis, ondersteund door zowel NASA als de National Science Foundation, zeilde begin mei in de noordelijke Atlantische Oceaan - het vervolg op een aanvullende expeditie, medegefinancierd door NSF, die in 2018 plaatsvond in de noordelijke Stille Oceaan.

De inzet in 2021 van NASA's oceanografische veldcampagne, genaamd Export Processen in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS), bestaat uit 150 wetenschappers en bemanningsleden van meer dan 30 gouvernementele, universitaire en particuliere niet-gouvernementele instellingen. Het team is verdeeld over drie oceanografische onderzoeksschepen, die elkaar zullen ontmoeten in internationale wateren ten westen van Ierland over de onderwatervlakte van Porcupine Abyssal. Tijdens de veldcampagne wetenschappers zullen een verscheidenheid aan instrumenten van boord van de drie schepen inzetten:de RRS James Cook en de RRS Discovery, beheerd door het National Oceanography Centre in Southampton, VK, plus een derde schip gecharterd door het Ocean Twilight Zone-project van de Woods Hole Oceanographic Institution en geëxploiteerd door de Marine Technology Unit in Vigo, Spanje. In totaal 52 hightech platforms, waaronder verschillende autonome voertuigen, gaat metingen doen en continu gegevens verzamelen.

Veel van de wetenschap richt zich op de rol van de oceaan in de wereldwijde koolstofcyclus. Door chemische en biologische processen, de oceaan verwijdert evenveel koolstof uit de atmosfeer als al het plantenleven op het land. Wetenschappers hopen de mechanismen van de biologische pomp van de oceaan verder te onderzoeken - het proces waarbij koolstof uit de atmosfeer en de oceaan aan de oppervlakte op lange termijn wordt vastgehouden in de diepe oceaan. Dit proces omvat microscopisch kleine plantachtige organismen genaamd fytoplankton, die net als planten op het land fotosynthese ondergaan en vanuit de ruimte kunnen worden gezien door veranderingen in de kleur van de oceaan waar te nemen. Hun productiviteit heeft een aanzienlijke impact op de koolstofcyclus van de aarde, die op zijn beurt het klimaat op aarde beïnvloedt.

"Dit is de eerste uitgebreide studie van de biologische koolstofpomp van de oceaan sinds de Joint Global Ocean Flux-studie in de jaren tachtig en negentig, " zei de wetenschappelijke leider van EXPORT, David Siegel van de Universiteit van Californië, Santa Barbara. "Tijdens de we hebben geavanceerde microscopische beeldvormingstools gekregen, genomica, robuuste chemische en optische sensoren en autonome robots - een heleboel dingen die we toen niet hadden, zodat we veel moeilijkere en veel belangrijkere vragen kunnen stellen." Die vragen omvatten hoeveel organische koolstof de oppervlakte-oceaan verlaat, en welk pad neemt het als het zijn weg baant naar de diepte waar het voor lange tijd kan worden afgezonderd, van tientallen tot duizenden jaren.

Wetenschappers kennen drie belangrijke routes die koolstof transporteren van de atmosfeer en de bovenste oceaan naar de donkere "schemeringzone" die 1 ligt. 640 voet (500 m) of meer onder het oppervlak:1) fysieke menging en circulatie van de oceaan kan gesuspendeerd organisch materiaal tot diep in het binnenste van de oceaan vervoeren, 2) deeltjes kunnen door de zwaartekracht zinken, vaak na het passeren van de ingewanden van organismen, en 3) dagelijkse verticale migraties van dieren die pendelen tussen de bovenste en onderste oceaanniveaus, brengen koolstof mee voor de rit.

EXPORTS wil bepalen hoeveel koolstof door elk van deze routes wordt getransporteerd door de koolstofpomp in twee zeer verschillende oceaanecosystemen met verschillende omstandigheden te observeren. De onderzoekers kozen voor de noordelijke Stille Oceaan en de noordelijke Atlantische Oceaan omdat ze zich aan de tegenovergestelde uiteinden van het productiviteitsspectrum bevinden (d.w.z. de snelheid van fotosynthese) en twee tegengestelde extremen van fysieke processen zoals wervelingen en stromingen ervaren. Het bestuderen van contrasterende omgevingen zal het maximale inzicht verschaffen voor het modelleren van toekomstige klimaatscenario's.

Volgens Ivona Cetinić, projectwetenschapper en oceanograaf bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, de noordelijke Stille Oceaan is verwant aan een woestijn of "eenvoudige weide" op het land. Het bevat weinig voedingsstoffen, in dit geval ijzer nodig voor fotosynthese, en ervaringen met de minste wervelende stromingen in de oceanen. Daarom, koolstoftransport naar de diepe oceaan wordt voornamelijk aangedreven door kleine dieren, zoöplankton genoemd, het consumeren van microscopisch plantachtig fytoplankton en het vervolgens uitscheiden van de verteerde koolstof naar de diepten eronder.

Fytoplankton drift in de bovenste, zonovergoten laag van de oceaan waar ze koolstofdioxide dat uit de atmosfeer komt kunnen omzetten in organische koolstof. Als de omstandigheden goed zijn, zoals vaak het geval is in de Noord-Atlantische regio in deze tijd van het jaar, fytoplanktonpopulaties groeien of "bloeien" zo snel dat ze vanuit de ruimte kunnen worden gezien.

De Noord-Atlantische Oceaan heeft ook sterke stromingen die contrasteren met de langzamer bewegende wateren van de noordelijke Stille Oceaan. Samen met die, Siegel zegt dat ze tijdens de expeditie van een maand minstens vier dagen zwaar weer verwachten.

Maar EXPORT-gegevens zijn niet alleen van toepassing op de zee, ze zullen ook worden gebruikt om satelliettechnologie te verbeteren. Cetinić werkt met verschillende optische metingen die afkomstig zijn van oceaankleurensatellieten, die het licht meten dat door het oceaanoppervlak wordt weerkaatst in delen van het zichtbare spectrum, wat we kennen als de kleuren van de regenboog. Deze bieden inzichten zoals metingen van de temperatuur van de oceaan, zoutgehalte, koolstof en concentraties van een groen pigment genaamd chlorofyl. Echter, de verschillende soorten fytoplankton die verschillende delen van het ecosysteem en de koolstofcyclus bezetten, produceren verschillende hoeveelheden en tinten groen chlorofyl, het creëren van nuance in oceaankleur die huidige oceaankleursatellieten niet kunnen "zien".

Tot de instrumenten die tijdens de EXPORT worden ingezet, behoren zeer verfijnde, en in sommige gevallen experimenteel, optische instrumenten om de kleur van de oceaan te meten die verwant zijn aan instrumenten die aan boord van toekomstige NASA-satellieten zullen zijn. Onderzoekers zullen deze satellietsimulatiemetingen combineren met de gedetailleerde observaties van de oppervlaktefytoplanktongemeenschap - door middel van genomica, beeldanalyse of pigmentsamenstelling, evenals kennis van hun fysiologie om satellieten in staat te stellen oceanische diversiteit en uiteindelijk hun rol in de oceanische koolstofcyclus te detecteren.

De volgende generatie van deze satellieten, Plankton van NASA, Aërosol, Wolk, oceaan Ecosysteem (PACE) missie, zal hyperspectraal zijn, wat betekent dat het gegevens kan verzamelen over het hele zichtbare spectrum, en informatie vastleggen buiten het zichtbare deel, inclusief ultraviolet en kortegolf infrarood.

"Wat we zien terwijl we op de grond zijn, geeft ons inzicht in wat voor soort informatie we vanuit de ruimte moeten zien om die kritieke processen vast te leggen die we beter willen begrijpen, " zei Cetinić. "Dat drijft de ontwikkeling van de op de ruimte gebaseerde technologie. In ruil, gegevens afkomstig van de nieuwe aardobservatiesatellieten zorgen voor wetenschappers, zoals degenen die deelnemen aan EXPORT, andere cruciale informatie gaan zoeken of nieuwe technieken ontwikkelen om de huidige, of zelfs een nieuwe, Aarde observeren satelliet. Dit eeuwige samenspel van technologie en wetenschap, komt uiteindelijk de hele mensheid ten goede."

Na de veldwerkcampagne een extra fase van EXPORT zal zich richten op het gebruik van de gegevens die zijn verzameld in de Atlantische Oceaan en de Stille Oceaan om te voorspellen hoe de koolstoftransportroutes eruit kunnen zien in toekomstige oceanen.

"Wat we momenteel weten, is beperkt tot wat er vandaag in de oceanen gebeurt, " zei Siegel. "Met de aanhoudende klimaatgedreven veranderingen, niet alleen in de oceaan gezien, maar over de hele aardesystemen, we moeten kunnen voorspellen wat er in 2075 gaat gebeuren, en dat voorspellende inzicht hebben we nog niet."

Omdat er zoveel kenmerken van een enkel stuk oceaan tegelijkertijd zullen worden gemeten, bestaande computermodellen zullen een rijke en completere dataset hebben die de koolstofpomp afbeeldt waarop projecties kunnen worden gebaseerd van wat er in de nabije toekomst dieper in de oceaan kan gebeuren - en wat de effecten kunnen zijn op de koolstofcyclus.

"Het is zo'n goede dataset dat het de komende decennia het onderzoek zal voeden, " zei Cetinić.

Zowel PACE als EXPORT ondervonden vertragingen vanwege de COVID-19-pandemie. Nutsvoorzieningen, om de veiligheid en beveiliging van alle betrokkenen te waarborgen, een quarantaine van twee weken was vereist voor het zeilen en er werden protocollen voor sociale afstand genomen voor de eerste week aan boord van de schepen. Siegel zegt dat de diversiteit en toewijding van de teamleden, de ongeëvenaarde steun van het National Oceanography Centre van het VK om ervoor te zorgen dat de schepen en bemanning klaar en veilig zijn om te zeilen, de aanhoudende inzet van het NASA-hoofdkwartier, en veel geluk is de reden dat de campagne dit jaar toch door kan gaan.