Biologisch oceanograaf Hugh Ducklow bestudeert het mariene voedselweb en hoe het interageert met de fysieke eigenschappen van de oceanen. Veel van zijn werk loopt via het Amerikaanse Long Term Ecological Research Program (LTER), waarin onderzoekers decennialang trends hebben onderzocht in 28 land- en zeeregio's in de Verenigde Staten, samen met een paar locaties elders. Naast de open oceaan omvatten studies woestijnen, kusten, rivieren, bossen en graslanden. Van 2012 tot 2018 leidde Ducklow, vanuit het Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University, de Palmer Station LTER-site, de basis voor jaarlijkse cruises door 800 kilometer ijskoud water voor het Antarctisch Schiereiland.

Ter gelegenheid van de 40e verjaardag van het LTER-programma hebben onderzoekers zojuist een reeks artikelen gepubliceerd over de invloed van klimaatverandering op hun locaties. Ducklow leidde de sectie over open oceaanomgevingen, die naast Antarctica de wateren van Alaska, Californië en het noordoosten van de VS omvat. We spraken met hem over het werk, de observaties van hem en collega's en de vooruitzichten voor de toekomst.

Waarom zouden we ons druk maken om wat klimaatverandering met de oceanen doet?

Naast het feit dat zeevruchten de belangrijkste eiwitbron vormen voor ongeveer 3 miljard mensen, neemt de oceaan een grote hoeveelheid overtollige warmte en door de mens gegenereerde koolstofdioxide op. Ongeveer 90 procent van alle overtollige warmte die sinds de industriële revolutie door het broeikaseffect wordt geproduceerd, bevindt zich in de oceaan. De wereldwijde oceaan heeft ook ongeveer een kwart tot een derde van onze CO2-uitstoot opgenomen. Beide processen houden de luchttemperatuur koeler dan anders het geval zou zijn. Maar ze brengen allebei kosten met zich mee. De oceaan warmt op als gevolg van extra warmte. Het door de mens veroorzaakte opwarmingssignaal is zelfs waarneembaar in de diepe Zuidelijke Oceaan. Een verhoogde opname van kooldioxide veroorzaakt verzuring van de oceaan. De ecologische gevolgen van opwarming en verzuring beginnen nu pas te worden begrepen, en de toekomstige capaciteit om warmte en CO2 op te slaan₂ is niet zeker.

Wat zijn enkele van de fysieke effecten van het klimaat op het oceaanwater, en waar zien we ze het sterkst?

Zoals ik al zei, de oceanen warmen op, maar de opwarming en de effecten ervan zijn niet uniform in ruimte of tijd. De reacties op klimaatverandering door het fysieke systeem zijn het sterkst en het duidelijkst aan de oppervlakte. Dit is belangrijk omdat warmte en CO₂ worden daar uitgewisseld, en omdat er fytoplankton groeit. Afhankelijk van wind, storm en stroming varieert de oppervlaktelaag in diepte van bijna nul in de zomer tot meer dan 1000 meter in de winter. Temperatuur beïnvloedt de diepte van de oppervlaktelaag, en in het geval van polaire locaties geldt dit ook voor zee-ijs. In de buurt van de polen is er in de winter weinig of geen zonnestraling en zee-ijs bedekt de oceaan. In de lente, als de zon opkomt, warmt de oceaan op en smelt het zee-ijs, waardoor zoet water aan de oppervlakte komt. Warmer, zoeter water is minder dicht dan koelere, zoute wateren, en dus wordt de oppervlaktelaag ondieper.

De diepte van de gemengde oppervlaktelaag wordt op de meeste locaties in het LTER-netwerk ondieper:Palmer Antarctica, het noordoostelijke continentaal plat van de VS en de noordelijke Golf van Alaska. Er is echter geen verandering zichtbaar in de Californische stroom, ondanks een ononderbroken record van waarnemingen sinds 1950 en de temperatuur van het opwarmende water.

Welke biologische veranderingen vinden er plaats? Kunnen we ze duidelijk koppelen aan klimaattrends?

De diepte van de oppervlaktelaag van de oceaan bepaalt de snelheid van de groei van fytoplankton. Wanneer de oppervlaktelaag ondiep is, wordt fytoplankton in het zonlicht vastgehouden, maar heeft het geen toegang tot voedingsstoffen. Wanneer de oppervlaktelaag diep is, heeft fytoplankton toegang tot voedingsstoffen, maar zonlicht is zwak of afwezig. Trends in fytoplankton zijn gedocumenteerd in sommige, maar niet alle LTER-locaties. Fytoplankton zijn de enige organismen die per satelliet kunnen worden gedetecteerd, maar trends in hun overvloed zijn niet zo duidelijk als de fysieke veranderingen die ik zojuist heb beschreven. Het bewijs van fytoplankton neemt toe op Antarctica, zoals verwacht in een ondieper wordende oppervlaktelaag, maar neemt af boven het noordoostelijke continentale plat van de VS, ondanks ondieper worden. Op de andere sites zijn geen veranderingen zichtbaar. Zoöplankton vertoont toenemende trends in Antarctica, zoals verwacht van toenemend fytoplankton. Ze nemen ook toe in het California Current-systeem, hoewel fytoplankton dat niet is.

Hoewel er lange records zijn van veranderingen in de California Current (70 jaar), de noordoostelijke Amerikaanse plank (40 jaar) en Palmer Antarctica (30 jaar), is het nog steeds moeilijk om met zekerheid te zeggen dat ze worden veroorzaakt door klimaatverandering. Numerieke simulaties van satellietbeelden suggereren dat ongeveer 50 jaar de minimale tijd is die nodig is om waargenomen trends toe te schrijven aan klimaatverandering. Sommige veranderingen kunnen een eeuw of langer duren.

Gebeurt er iets op Antarctica dat het onderscheidt van de andere regio's?

Een eenvoudig onderscheidend kenmerk van de Arctische en Antarctische zeeën is dat ze bedekt zijn met zee-ijs. Maar de duur en omvang van de ijsbedekking nemen af ​​naarmate de poolzeeën opwarmen. De levenscycli van Arctische en Antarctische organismen zoals krill en zeevogels zijn afgestemd op seizoensgebonden ijsbedekking en kunnen worden verstoord als de dekking afneemt. Zee-ijs blokkeert zonlicht en beïnvloedt de timing van fytoplanktonbloei. Hoewel het zee-ijs aan beide polen snel afneemt, zijn de effecten onzeker. Naarmate het zee-ijs afneemt, worden nieuwe, voorheen met ijs bedekte gebieden opengesteld voor groei van fytoplankton, waardoor het polaire mariene ecosysteem wordt uitgebreid. Maar naarmate de dekking verdwijnt, zal de bijdrage van zoet water afnemen en de verse laag aan het oceaanoppervlak verminderen. De netto-impact voor het toekomstige ecosysteem is niet duidelijk.

Een ander onderscheidend kenmerk van Antarctische ecosystemen lijkt de diversiteit en het tempo van ecologische verandering te zijn. We nemen aan dat klimaatvariabiliteit en -verandering eerst fysieke eigenschappen beïnvloeden en dat de fysieke veranderingen ecologische reacties veroorzaken. De ecologische reacties kunnen worden ingedeeld in reacties die beginnen met fytoplankton aan de basis van het voedselweb, dat wil zeggen bottom-upreacties; en die welke invloed hebben op de toproofdieren zoals pinguïns met veranderingen die door het voedselweb kabbelen, of top-down reacties. Op Antarctica zien we veranderingen in het klimaat en fysieke systemen en in het hele voedselweb, van diatomeeën tot krill tot pinguïns. Deze processen ontmoeten elkaar in het midden en convergeren naar krill.

Hebben we deze sites lang genoeg geobserveerd om een ​​goed idee te krijgen van waar het in de toekomst naartoe gaat?

Hoe lang het duurt om te weten waar ecosystemen naartoe gaan, hangt af van de veranderingen waarin u geïnteresseerd bent. Het is gemakkelijker om fysieke veranderingen waar te nemen en te documenteren, omdat het systeem alleen bestaat uit warmte, zoutgehalte, stroming en menging - en omdat we goede instrumenten hebben om precisiemetingen van die variabelen uitvoeren. Daarentegen zijn tientallen tot honderden verschillende metingen nodig om de variabiliteit in biologische reacties van meerdere soorten te karakteriseren, en slechts een paar kunnen op afstand worden bemonsterd en gemeten. Op enkele belangrijke uitzonderingen na, hangt het detecteren van veranderingen voor veel groepen organismen nog steeds af van individuele wetenschappers en studenten die eenvoudige, tijdrovende en vervelende visuele tellingen maken. Deze metingen worden langzaam geautomatiseerd. Drones, op het schip gemonteerde akoestiek, digitale onderwatercamera's en geïnstrumenteerde oceaanglijders beginnen realtime, uitgebreide beelden van de oceanen te maken. Zeeijs en ijsbergen zijn nog steeds grote obstakels voor het onbeheerd achterlaten van instrumenten in de winter, dus veel metingen zijn beperkt tot ijsvrije zomermaanden.

Wat waren enkele van de uitdagingen bij het werken bij Antarctica?

Er zijn de voor de hand liggende uitdagingen:het plannen van werk op een afgelegen locatie - reizen duurt zeven dagen van deur tot deur per enkele reis - en anticiperen op alles wat u nodig heeft. Er zijn stormen, volle zee, ijsbedekking. In september 2001 kwamen we twee weken vast te zitten in het ijs. Daarna kwamen problemen met de toeleveringsketen, het werven van personeel en het onderhouden van een hoogwaardige tijdreeks van observaties en metingen gedurende tientallen jaren. Het werk om je voor te bereiden op volgend jaar begint letterlijk voordat je dit jaar naar het schip vertrekt. Het project is niet alleen de tijdreeks, maar levend, evoluerend wetenschappelijk onderzoek met verkeerde afslagen, doodlopende wegen en onverwachte ontdekkingen. Ondanks de uitdagingen is het een mooie en spannende plek om te werken. + Verder verkennen

Opwarmende oceanen kunnen Nieuw-Zeelandse potvissen en blauwe vinvissen dwingen te verschuiven naar koelere zuidelijke wateren

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.