Волны морской жары забивают углеродный насос океана, что ставит под угрозу его способность бороться с изменением климата.
Роботизированные платформы могут непрерывно собирать подробные данные о состоянии океана. Новое исследование, проведенное исследователями MBARI из проекта Global Ocean Biogeochemistry Array (Global Ocean Biogeochemistry Array project) совместно с междисциплинарной командой сотрудников, проанализировало данные с поплавков, развернутых в заливе Аляска, и записи корабельных исследований планктона и показало, что морские тепловые волны изменяют структуру океанских пищевых сетей и влияют на способность океана накапливать углерод. Фото: © 2022 MBARI
Новое исследование показывает, что волны морской жары могут изменять структуру океанских пищевых сетей, что, в свою очередь, может замедлить перенос углерода в морские глубины и снизить способность океана противостоять изменению климата. Исследование, опубликованное в научном журнале Nature Communications 6 октября, было проведено междисциплинарной группой исследователей из MBARI, Школы морских, атмосферных и земных наук Розенштиля Университета Майами, Института Хакаи, Сямыньского университета, Университета Британской Колумбии, Университета Южной Дании и других научных учреждений. Рыболовство и океаны Канады.
Чтобы изучить влияние морской жары на пищевые сети океана и потоки углерода, исследовательская группа объединила несколько наборов данных, которые более десяти лет отслеживали биологические условия в толще воды в заливе Аляска. За это время этот регион пережил две последовательные волны морской жары: одну с 2013 по 2015 год, известную как «Капля», и другую с 2019 по 2020 год.
«В океане есть биологический углеродный насос, который обычно действует как конвейерная лента, переносящая углерод с поверхности в глубины океана. Этот процесс поддерживается микроскопическими организмами, которые составляют основу пищевой сети океана, включая бактерии и планктон», — сказала ведущий автор Мариана Биф, ранее работавшая специалистом-исследователем в MBARI, а ныне доцент кафедры океанологии в Школе Розенштиля. «Для этого исследования мы хотели проследить, как волны морской жары влияют на эти микроскопические организмы, чтобы понять, связано ли это воздействие с количеством углерода, который производится и экспортируется в океанские глубины».
Исследовательская группа использовала информацию, собранную Глобальным биогеохимическим центром океана (GO-BGC). Array — совместная инициатива, финансируемая Национальным научным фондом США и возглавляемая компанией MBARI, которая использует роботизированные платформы для мониторинга состояния океана. В рамках проекта GO-BGC были установлены сотни автономных биогеохимических поплавков Argo (BGC-Argo), которые каждые пять-десять дней измеряют такие параметры океана, как температура, соленость, содержание нитратов, кислорода, хлорофилла и твердых частиц органического углерода (POC) в толще воды. Команда также изучила сезонные данные, полученные в ходе исследований с судов, которые отслеживали состав планктонного сообщества, включая химический состав пигментов и секвенирование ДНК окружающей среды (eDNA) из образцов морской воды, собранных в ходе программы Line P, проводимой Канадским агентством рыболовства и океанологии.
Исследование показало, что волны морской жары действительно повлияли на основу пищевой сети океана, и эти воздействия были связаны с изменениями в способах круговорота углерода в толще воды. Однако изменения, произошедшие в пищевой сети, не были последовательными в течение двух периодов жары.
В обычных условиях растительный фитопланктон преобразует углекислый газ в органический материал. Эти микроорганизмы составляют основу пищевой сети океана. Когда их съедают более крупные животные и выбрасывают в виде отходов, они превращаются в частицы органического углерода, которые опускаются с поверхности через мезопелагическую, или сумеречную, зону океана (от 200 до 1000 метров, примерно от 660 до 3300 футов) и опускаются в морские глубины. Этот процесс удерживает атмосферный углерод в океане на тысячи лет.
Во время сильной жары 2013-2015 годов выработка углерода фотосинтезирующим планктоном на поверхности была высокой на второй год, но вместо того, чтобы быстро погружаться в морские глубины, мелкие частицы углерода накапливались примерно на глубине 200 метров (примерно 660 футов) под водой.
Во время аномальной жары 2019-2020 годов в первый год на поверхности наблюдалось рекордно высокое накопление частиц углерода, что нельзя было объяснить производством углерода только фитопланктоном. Вместо этого это накопление, вероятно, было вызвано переработкой углерода морскими обитателями и накоплением детритных отходов. Затем этот выброс углерода опустился в сумеречную зону, но задержался на глубине от 200 до 400 метров (примерно от 660 до 1320 футов) вместо того, чтобы погрузиться в морские глубины.
Команда ученых объяснила эти различия в переносе углерода между двумя периодами сильной жары изменениями в популяциях фитопланктона. Эти изменения отразились на пищевой цепочке, что привело к увеличению численности мелких травоядных, которые не производят быстро оседающих частиц отходов, поэтому углерод удерживался и перерабатывался на поверхности и в верхней сумеречной зоне, а не опускался на более глубокие глубины.
«Наше исследование показало, что эти две крупные волны морской жары изменили сообщества планктона и нарушили биологическую перекачку углерода в океане. Конвейерная лента, переносящая углерод с поверхности в морские глубины, заклинила, что увеличивает риск того, что углерод может вернуться в атмосферу вместо того, чтобы быть запертым глубоко в океане», — сказал Биф.
Это исследование показало, что не все морские волны высокой температуры одинаковы. Различные виды планктона увеличиваются и уменьшаются во время этих явлений потепления, что подчеркивает необходимость долгосрочного скоординированного мониторинга биологических и химических условий океана для точного моделирования разнообразных и масштабных экологических последствий морских волн высокой температуры.
«Это исследование знаменует собой новую захватывающую главу в мониторинге океана. Чтобы по-настоящему понять, как тепловая волна влияет на морские экосистемы и океанические процессы, нам нужны данные наблюдений до, во время и после этого события. Это исследование включало в себя роботизированные поплавки, химию пигментов и генетическое секвенирование, и все это работало вместе, чтобы рассказать всю историю целиком. Это отличный пример того, как сотрудничество может помочь нам ответить на ключевые вопросы о здоровье океана», — сказал старший научный сотрудник MBARI Кен Джонсон, ведущий исследователь проекта GO-BGC и соавтор исследования.
Наблюдения за океаном и модели показывают, что за последние несколько десятилетий морские тепловые волны увеличивались в размерах и усиливались. Океан поглощает четверть углекислого газа, выбрасываемого ежегодно, благодаря постоянному потоку частиц углерода, опускающихся с поверхности в морские глубины. Потепление океана может привести к уменьшению концентрации углерода, что, в свою очередь, может ускорить изменение климата. Помимо изменений в переносе углерода, изменения в планктоне, составляющем основу пищевой сети океана, оказывают каскадное воздействие на морскую флору и фауну, а также на деятельность человека.
«Изменение климата способствует более частым и интенсивным волнам морской жары, что подчеркивает необходимость постоянного долгосрочного мониторинга океана для понимания и прогнозирования того, как будущие волны морской жары повлияют на экосистемы, рыболовство и климат», — сказал Биф.
Эта работа была профинансирована проектом GO-BGC Национального научного фонда США (премия NSF 1946578 при оперативной поддержке премии NSF 2110258), при дополнительной поддержке Фонда Дэвида и Люсиль Паккард, Китайского национального научного фонда (номер гранта: 42406099), фондов фундаментальных исследований для центральных университетов (номер гранта: 20720240105), Датский центр исследований Hadal (грант № DNRF145) и программа «Рыболовство и океаны» Линия P.