Un ampio team multidisciplinare di scienziati, dotato di robotica subacquea avanzata e una serie di strumentazione analitica, salperà per l'Oceano Pacifico nord-orientale questo agosto. La missione del team per la NASA e la National Science Foundation (NSF) è studiare la vita e la morte dei piccoli organismi che svolgono un ruolo fondamentale nella rimozione dell'anidride carbonica dall'atmosfera e nel ciclo del carbonio dell'oceano.

Più di 100 scienziati e membri dell'equipaggio di oltre 20 istituti di ricerca si imbarcheranno da Seattle per la campagna oceanografica Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS) della NASA. EXPORTS è la prima campagna scientifica multidisciplinare coordinata del suo genere per studiare i destini e gli impatti del ciclo del carbonio del plancton microscopico utilizzando due navi di ricerca e diverse piattaforme robotiche sottomarine.

Le navi da ricerca, il R/V Revelle e il R/V Sally Ride, gestito dalla Scripps Institution of Oceanography, Università della California San Diego, navigherà verso ovest per 200 miglia nell'oceano aperto. Da questi laboratori marittimi, i ricercatori esploreranno il plancton, così come le proprietà chimiche e fisiche dell'oceano dalla superficie a mezzo miglio sotto nella zona crepuscolare, una regione con poca o nessuna luce solare dove il carbonio del plancton può essere sequestrato, o tenuto fuori dall'atmosfera, per periodi che vanno da decenni a migliaia di anni.

"Impiegando due navi saremo in grado di osservare complessi processi oceanografici che variano sia nello spazio che nel tempo che non saremmo in grado di catturare con una singola nave, "ha detto Paola Bontempi, responsabile del programma per la biologia oceanica e la biogeochimica presso la sede della NASA.

Il fitoplancton è minuscolo, organismi simili a piante che vivono nell'oceano superiore illuminato dal sole. Usano la luce solare e l'anidride carbonica disciolta che entra nell'oceano superiore dall'atmosfera per crescere attraverso la fotosintesi, che è un modo in cui gli organismi oceanici riciclano il carbonio. Come produttori primari, il fitoplancton svolge un ruolo importante nella rimozione dell'anidride carbonica atmosferica e nella produzione di ossigeno. Quando il fitoplancton viene consumato dal plancton o muore, i loro resti affondano e una parte del loro carbonio viene esportata in profondità.

Mentre sono noti i principali percorsi di esportazione di come il carbonio si muove attraverso l'oceano, l'entità dei flussi di carbonio nelle diverse vie oceaniche e la loro dipendenza dalle caratteristiche dell'ecosistema sono poco note. Gli scienziati del team EXPORTS stanno studiando quanto carbonio si muove attraverso l'oceano all'interno dello strato superiore illuminato dal sole e nella zona crepuscolare e come i processi ecologici oceanici influenzano il destino e il sequestro del carbonio. Queste informazioni sono necessarie per prevedere la quantità di carbonio che tornerà nell'atmosfera su quale scala temporale, o quanto carbonio viene esportato nelle profondità oceaniche.

"Il carbonio che gli umani stanno immettendo nell'atmosfera sta riscaldando la Terra, "dice Mike Sieracki, direttore del programma presso la Divisione di Scienze dell'Oceano della National Science Foundation. "Molto di quel carbonio alla fine trova la sua strada nell'oceano e viene trasportato nelle profondità dell'oceano, dove è sequestrato e non tornerà nell'atmosfera per molto tempo. Questo progetto ci aiuterà a capire i processi biologici e chimici che rimuovono il carbonio, e stabilire una base per monitorare questi processi mentre i cambiamenti climatici".

Sette anni di lavoro, la campagna 2018 è stata un'impresa enorme, disse David Siegel, ESPORTAZIONI scientifica condotta dall'Università della California, Santa Barbara.

"L'impatto che i dati EXPORTS avranno per capire come sta cambiando il nostro pianeta sarà significativo, " Ha detto Siegel. "La registrazione satellitare del colore dell'oceano della NASA ci mostra che questi ecosistemi sono altamente sensibili alla variabilità del clima. I cambiamenti nelle popolazioni di fitoplancton influenzano la rete trofica marina poiché il fitoplancton viene mangiato da molte specie animali grandi e piccole. La posta in gioco è alta".

La rimozione a lungo termine del carbonio organico dall'atmosfera alle profondità oceaniche è nota come pompa biologica, che opera attraverso tre processi principali. Primo, particelle cariche di carbonio dalla superficie dell'oceano affondano per gravità, come accade con il fitoplancton morto o con le feci prodotte da piccoli animali chiamati zooplancton. Secondo, lo zooplancton migra quotidianamente vicino alla superficie dell'oceano per nutrirsi di fitoplancton e ritorna nella zona crepuscolare durante la notte. Terzo, processi fisici nell'oceano, come la grande circolazione globale di ribaltamento degli oceani e i vortici turbolenti su piccola scala, trasportare carbonio sospeso e disciolto a grandi profondità.

I satelliti della NASA forniscono una varietà di misurazioni dello strato più alto dell'oceano, come la temperatura, salinità e la concentrazione di un pigmento presente in tutte le piante chiamato clorofilla. EXPORTS fornirà dati sul ruolo del fitoplancton e del plancton nella pompa biologica e nell'esportazione di carbonio, informazioni importanti per la pianificazione delle osservazioni e delle tecnologie necessarie per le future missioni satellitari di osservazione della Terra.

"Abbiamo progettato le ESPORTAZIONI per osservare contemporaneamente i tre meccanismi di base con cui il carbonio viene esportato dall'alto oceano verso la profondità, " Ha detto Siegel. "Stiamo cercando di capire meglio la biologia e l'ecologia del fitoplancton nelle acque superficiali, come queste caratteristiche guidano il trasporto del carbonio nella zona crepuscolare, e poi cosa succede al carbonio nell'acqua più profonda."

Tra le molte tecnologie utilizzate c'è una piattaforma autonoma chiamata "Wirewalker" che utilizza l'energia delle onde per spostare gli strumenti lungo un filo teso dalla superficie a 1, 600 piedi (500 metri) di profondità durante la misurazione della temperatura, salinità, ossigeno, carbonio, e concentrazione di clorofilla.

Un veicolo subacqueo telecomandato lungo 6,5 piedi (2 metri) chiamato Seaglider raccoglierà misurazioni simili, ma a profondità fino a 3, 200 piedi (1, 000 metri.)

A bordo della nave, saranno raccolti campioni per sequenziatori genomici per valutare la composizione del fitoplancton, zooplancton, comunità batteriche e archeali.

Gli scienziati di EXPORTS utilizzeranno anche nuovi strumenti di imaging microscopico, compreso un microscopio ad alta produttività chiamato Imaging FlowCytobot che fornirà in tempo reale, immagini ad alta risoluzione di miliardi di singoli fitoplancton. L'Underwater Vision Profiler misurerà le dimensioni delle particelle aggregate che affondano e raccoglierà immagini di organismi zooplancton.

Sulla sovrastruttura della nave saranno montati strumenti ottici che misureranno il colore dell'oceano ad altissima risoluzione spettrale, dalle lunghezze d'onda dell'ultravioletto alle bande dell'infrarosso a onde corte dello spettro elettromagnetico. Il fitoplancton ha "firme" spettrali distinte:i colori della luce che assorbono e diffondono. Identificando queste firme, gli scienziati saranno in grado di sviluppare algoritmi per le future missioni satellitari sul colore dell'oceano come Plancton della NASA, Aerosol, Nube, missione Ecosistema oceanico (PACE). Dallo spazio, PACE utilizzerà strumenti ottici simili per distinguere il tipo e la quantità di fitoplancton presente nell'oceano.

"Ciò che impareremo dalle ESPORTAZIONI ci darà una comprensione più profonda di come le specie di plancton e altri microrganismi come i batteri interagiscono con il loro ambiente, " ha detto Bontempi. "Non solo saremo in grado di utilizzare queste informazioni per sviluppare nuovi approcci per identificare e quantificare le specie di plancton dallo spazio, saremo in grado di prevedere quanto carbonio tornerà nell'atmosfera e quanto sarà trasportato nelle profondità oceaniche a lungo termine".