Microscopisch zeeleven speelt een fundamentele rol in de gezondheid van de oceaan en, uiteindelijk, de planeet. Net als planten op het land, klein fytoplankton gebruikt fotosynthese om koolstofdioxide te consumeren en om te zetten in organisch materiaal en zuurstof. Deze biologische transformatie staat bekend als de primaire productiviteit van de zee.

In een nieuwe studie in Natuur Geowetenschappen vandaag, MBARI Senior Scientist Ken Johnson en voormalig MBARI postdoctoraal fellow Mariana Bif demonstreerden hoe een vloot van robotachtige drijvers ons begrip van de primaire productiviteit in de oceaan op wereldschaal zou kunnen revolutioneren.

Met de gegevens die door deze drijvers worden verzameld, kunnen wetenschappers nauwkeuriger inschatten hoe koolstof van de atmosfeer naar de oceaan stroomt en nieuw licht werpen op de wereldwijde koolstofcyclus. Veranderingen in de productiviteit van fytoplankton kunnen ingrijpende gevolgen hebben, zoals het beïnvloeden van het vermogen van de oceaan om koolstof op te slaan en het veranderen van oceaanvoedselwebben. In het licht van een veranderend klimaat, het is absoluut noodzakelijk om de rol van de oceaan te begrijpen om koolstof uit de atmosfeer te halen en voor lange tijd op te slaan.

"Gebaseerd op imperfecte computermodellen, we hebben voorspeld dat de primaire productie van marien fytoplankton zal afnemen in een warmere oceaan, maar we hadden geen manier om metingen op wereldschaal te doen om modellen te verifiëren. Nu doen we, " zei MBARI Senior Scientist Ken Johnson.

Door koolstofdioxide om te zetten in organische stof, fytoplankton ondersteunt niet alleen oceanische voedselwebben, ze zijn de eerste stap in de biologische koolstofpomp van de oceaan.

Fytoplankton verbruikt koolstofdioxide uit de atmosfeer en gebruikt het om hun lichaam op te bouwen. Mariene organismen eten dat fytoplankton, dood gaan, en dan zinken naar de diepe zeebodem. Deze organische koolstof wordt geleidelijk door bacteriën ingeademd tot koolstofdioxide. Aangezien veel hiervan op grote diepten gebeurt, koolstof wordt lange tijd uit de atmosfeer gehouden. Dit proces legt koolstof vast in diepzeewatermassa's en sedimenten en is een cruciaal onderdeel bij het modelleren van het klimaat op aarde, nu en in de toekomst.

De primaire productiviteit van de zee neemt af als reactie op veranderingen in ons klimaatsysteem. "We zouden kunnen verwachten dat de wereldwijde primaire productiviteit zal veranderen met een opwarmend klimaat, " legde Johnson uit. "Het kan op sommige plaatsen stijgen, neer in anderen, maar we hebben geen goede grip op hoe die in evenwicht zullen zijn." Monitoring van de primaire productiviteit is cruciaal om ons veranderende klimaat te begrijpen, maar het observeren van de respons op wereldwijde schaal is een groot probleem geweest.

Het direct meten van de productiviteit in de oceaan vereist het verzamelen en analyseren van monsters. Beperkingen in middelen en menselijke inspanning maken directe waarnemingen op wereldwijde schaal met seizoensgebonden tot jaarlijkse resolutie uitdagend en onbetaalbaar. In plaats daarvan, teledetectie door satellieten of computergegenereerde circulatiemodellen bieden de vereiste ruimtelijke en temporele resolutie. "Satellieten kunnen worden gebruikt om globale kaarten te maken van de primaire productiviteit, maar de waarden zijn gebaseerd op modellen en zijn geen directe metingen, ’ waarschuwde Johnson.

"Wetenschappers schatten dat ongeveer de helft van de primaire productiviteit van de aarde in de oceaan plaatsvindt, maar de schaarste aan metingen kon ons nog geen betrouwbare globale schatting voor de oceaan geven, " voegde Mariana Bif toe, een biogeochemisch oceanograaf en een voormalig postdoctoraal fellow bij MBARI. Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben een nieuw alternatief voor het bestuderen van oceaanproductiviteit:duizenden autonome robots die door de oceaan drijven.

Deze robots geven wetenschappers een glimp van de primaire productiviteit van de zee in het hele gebied, diepte, en tijd. Ze transformeren ons vermogen om te schatten hoeveel koolstof de wereldwijde oceaan elk jaar ophoopt drastisch. Bijvoorbeeld, de Indische Oceaan en het midden van de Stille Zuidzee zijn regio's waar wetenschappers heel weinig informatie hebben over de primaire productiviteit. Maar dit veranderde met de inzet van Biogeochemical-Argo (BGC-Argo) drijvers over de hele wereld.

"Dit werk vertegenwoordigt een belangrijke mijlpaal in het verzamelen van oceaangegevens, " benadrukte Bif. "Het laat zien hoeveel gegevens we uit de oceaan kunnen verzamelen zonder er daadwerkelijk heen te gaan."

De BGC-Argo profileervlotters meten temperatuur, zoutgehalte, zuurstof, pH, chlorofyl, en voedingsstoffen. Wanneer wetenschappers voor het eerst een BGC-Argo-drijver inzetten, het zakt naar 1, 000 meter (3, 300 voet) diep en drijft op deze diepte. Vervolgens, de autonome programmering gaat aan de slag met het profileren van de waterkolom. De vlotter daalt naar 2, 000 meter (6, 600 voet), stijgt dan naar de oppervlakte. Eenmaal aan de oppervlakte, de vlotter communiceert met een satelliet om zijn gegevens naar wetenschappers aan de wal te sturen. Deze cyclus wordt vervolgens elke 10 dagen herhaald.

Het afgelopen decennium is een toenemende vloot van BGC-Argo drijvers heeft metingen verricht over de wereldwijde oceaan. De drijvers leggen jaarlijks duizenden profielen vast. Deze schat aan gegevens leverde Johnson en Bif in de loop van de tijd verspreide zuurstofmetingen op.

Door het patroon van de zuurstofproductie te kennen, konden Johnson en Bif de netto primaire productiviteit op wereldschaal berekenen.

Tijdens fotosynthese, fytoplankton verbruikt koolstofdioxide en geeft zuurstof af in een bepaalde verhouding. Door te meten hoeveel zuurstof fytoplankton in de loop van de tijd vrijkomt, onderzoekers kunnen inschatten hoeveel koolstof fytoplankton produceert en hoeveel koolstofdioxide ze consumeren. "Zuurstof stijgt overdag door fotosynthese, 's nachts naar beneden vanwege ademhaling - als u de dagelijkse zuurstofcyclus kunt krijgen, je hebt een meting van de primaire productiviteit, " legde Johnson uit. Hoewel dit een bekend patroon is, dit werk is de eerste keer dat het kwantitatief is gemeten door instrumenten op wereldschaal in plaats van geschat door middel van modellering en andere hulpmiddelen.

Maar profiling floats bemonsteren slechts eens in de 10 dagen, en Johnson en Bif hadden meerdere metingen op één dag nodig om een ​​dagelijkse cyclus te krijgen. Dankzij een nieuwe benadering voor het analyseren van de floatgegevens konden Johnson en Bif de primaire productiviteit van de oceaan berekenen. Met elke profileringsvlotter op een ander tijdstip van de dag, Door gegevens van 300 drijvers en monsters van verschillende tijdstippen van de dag te combineren, konden Johnson en Bif de dagelijkse cyclus van op en neer gaan van zuurstof nabootsen en vervolgens de primaire productiviteit berekenen.

Om de nauwkeurigheid te bevestigen van de primaire productiviteitsschattingen berekend op basis van de BGC-Argo floats, Johnson en Bif vergeleken hun floatgegevens met op schepen gebaseerde bemonsteringsgegevens in twee regio's:het Hawaii Ocean Time-series (HOT) Station en het Bermuda Atlantic Time-series Station (BATS). De gegevens verkregen van de profileringsvlotten in de buurt van die regio's gaven vergelijkbare resultaten als maandelijkse bemonstering van schepen op deze twee locaties gedurende vele jaren.

Johnson en Bif ontdekten dat fytoplankton ongeveer 53 petagram koolstof per jaar produceerde. Deze meting lag dicht bij de 52 petagram koolstof per jaar geschat door de meest recente computermodellen. (Eén petagram is 1, 000, 000, 000, 000 kilogram, of een gigaton, en ongeveer het equivalent van het gewicht van 200 miljoen olifanten.) Deze studie valideerde recente biogeochemische modellen en benadrukte hoe robuust deze modellen zijn geworden.

Gegevens met hoge resolutie van de drijvers van BGC-Argo kunnen wetenschappers helpen om computermodellen beter te kalibreren om de productiviteit te simuleren en ervoor te zorgen dat ze echte oceaanomstandigheden weergeven. Met deze nieuwe gegevens kunnen wetenschappers beter voorspellen hoe de primaire productiviteit van de zee zal reageren op veranderingen in de oceaan door verschillende scenario's te simuleren, zoals opwarmingstemperaturen, verschuivingen in de groei van fytoplankton, oceaanverzuring, en veranderingen in voedingsstoffen. Naarmate er meer drijvers worden ingezet, Johnson en Bif verwachten dat de resultaten van hun onderzoek kunnen worden bijgewerkt, afnemende onzekerheden.

"We kunnen nog niet zeggen of er verandering is in de primaire productiviteit van de oceaan, omdat onze tijdreeks te kort is. " waarschuwde Bif. "Maar het stelt een huidige basislijn vast van waaruit we toekomstige veranderingen zouden kunnen detecteren. We hopen dat onze schattingen worden verwerkt in modellen, inclusief die voor satellieten, om hun prestaties te verbeteren."

Maar al, de schat aan gegevens van deze drijvers is van onschatbare waarde gebleken bij het verbeteren van ons begrip van de primaire productiviteit van de zee en hoe het klimaat op aarde is gekoppeld aan de oceaan.

De drijvers van BGC-Argo hebben een belangrijke rol gespeeld bij het project voor koolstof- en klimaatobservaties en modellen in de Zuidelijke Oceaan (SOCCOM), een door NSF gesponsord programma gericht op het ontrafelen van de mysteries van de Zuidelijke Oceaan en het bepalen van de invloed ervan op het klimaat. En vorig jaar was het debuut van het Global Ocean Biogeochemistry Array (GO-BGC Array)-project, waarmee wetenschappers fundamentele vragen over oceaanecosystemen kunnen onderzoeken, de gezondheid en productiviteit van ecosystemen observeren, en volg de elementaire cycli van koolstof, zuurstof, en stikstof in de oceaan gedurende alle seizoenen van het jaar.

De informatie die door deze wereldwijde samenwerkingsinitiatieven wordt verzameld, levert gegevens die essentieel zijn voor het verbeteren van computermodellen van oceaanvisserij en klimaat en voor het monitoren en voorspellen van de effecten van oceaanopwarming en oceaanverzuring op het zeeleven.