Отслеживание дрейфующих водорослевых цветений и питающих их веществ

В этом месяце исследователи из MBARI проводят двухнедельный океанографический эксперимент по отслеживанию питательных веществ, стимулирующих цветение водорослей у побережья Центральной Калифорнии. Это исследование является частью инициативы CANON (Controlled, Agile, and Novel Observing Network), использующей новейшие технологии для наблюдения за динамическими биологическими, химическими и физическими процессами в океане. В текущем эксперименте ученые изучают, как аммоний — ключевое питательное вещество для микроскопических морских водорослей — влияет на так называемый «биологический насос» океана.

«Биологический насос» — это сложный ряд взаимозависимых процессов, переносящих углерод с поверхности океана на глубину. В ходе фотосинтеза микроскопические водоросли поглощают углерод в форме углекислого газа (CO₂) и преобразуют его в живую ткань. Когда водоросли отмирают или поедаются и выделяются, часть углерода из их тканей опускается в виде мельчайших частиц в глубины. Без этого насоса антропогенное изменение климата было бы гораздо серьезнее: он помогает океанам запасать около 2 из 7 миллиардов тонн углерода, ежегодно выбрасываемых человечеством в атмосферу. Хотя эти миллиарды тонн удаляются из атмосферы, они подкисляют океан, что может нарушить его экосистемы. Для прогнозирования реакции океанов на рост уровня CO₂ и изменение климата необходимо лучше понимать, как морские пищевые сети, циклы питательных веществ и биологический насос реагируют на изменения в океанической среде.

Хотя общий принцип работы биологического насоса понятен, многие фундаментальные детали, включая роль таких нутриентов, как аммоний, остаются неясными. Текущий эксперимент CANON сосредоточен на изучении повышенных концентраций аммония, обнаруженных в 2010 году в Калифорнийском течении примерно в 160 км от берега на глубине 50 метров. Исследователи надеются выяснить, как формируется и сохраняется этот подповерхностный слой аммония и как он поддерживает или ограничивает организмы в нем и над ним.

Первой задачей было найти подходящее место для экспериментов. У западного побережья США относительно теплые, бедные питательными веществами поверхностные воды Калифорнийского течения движутся на юг, смешиваясь с холодными, богатыми нутриентами водами, поднимающимися с глубин у побережья и уносимыми в виде нитей и вихрей. Это создает сложную, постоянно меняющуюся зону смешения. Для выбора участка команда CANON использовала спутниковые снимки температуры поверхности моря, аномалий уровня моря (показывающих нити и вихри) и хлорофилла (индикатора цветения водорослей), а также данные от автономных аппаратов: подводного планера Spray и поверхностного WaveGlider. На основе этих данных для эксперимента была выбрана точка примерно в 80 км от Мосс-Лендинга вдоль восточного края Калифорнийского течения.

Для изучения дрейфующего с течениями планктона требуется оборудование, способное двигаться вместе с водой. Ключевым инструментом в эксперименте CANON является роботизированная ДНК-лаборатория — Environmental Sample Processor (ESP), — которая может собирать и идентифицировать планктон в реальном времени. Вместе с ESP в дрейфе будут участвовать три автономных подводных аппарата (AUV). Дальнодействующие AUV Daphne и Tethys будут работать в тандеме, обращаясь вокруг ESP и записывая параметры окружающей воды (температура, хлорофилл, концентрации кислорода и азота). Их данные помогут определить, дрейфует ли ESP вместе с одним цветением или проходит через разные сообщества планктона.

Кроме того, AUV Dorado и несколько океанографических «дрифтеров» будут развернуты вдоль пути дрейфа ESP. Дрифтеры оснащены «водным змеем» (дрогом) на глубине 10 метров, что заставляет их следовать подповерхностным течениям на той же глубине, что и ESP. Отслеживая дрифтеры с помощью GPS, исследователи могут понять, куда движется изучаемая водная масса.

Исследователи надеются, что изучение концентраций аммония и популяций планктона в пределах одной движущейся водной массы покажет, как концентрации нутриентов влияют на планктон, и наоборот. Эти данные будут объединены с измерениями CO₂ и химии океана для создания динамической трехмерной картины биологического насоса в этой части Калифорнийского течения. Результаты также дадут представление о работе биологического насоса в других апвеллинговых районах.

Ученые обеспокоены тем, что биологический насос может быть затронут антропогенными изменениями температуры и химического состава океанов. Если его эффективность по удалению углерода из атмосферы снизится, это может ускорить глобальное потепление. Любые изменения в биологическом насосе могут затронуть все аспекты океанической жизни — от поверхности до глубоководного дна — и в конечном итоге климат Земли. Эксперимент CANON, предоставляя больше информации об этом важном процессе, поможет лучше понять, как работают океаны и как они могут измениться в ближайшие десятилетия или даже столетия.