La vita marina microscopica gioca un ruolo fondamentale nella salute dell'oceano e, in definitiva, il pianeta. Proprio come le piante sulla terra, il minuscolo fitoplancton utilizza la fotosintesi per consumare anidride carbonica e convertirla in materia organica e ossigeno. Questa trasformazione biologica è nota come produttività primaria marina.

In un nuovo studio in Geoscienze naturali oggi, Lo scienziato senior MBARI Ken Johnson e l'ex borsista postdottorato MBARI Mariana Bif hanno dimostrato come una flotta di galleggianti robotici potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione della produttività primaria nell'oceano su scala globale.

I dati raccolti da questi galleggianti consentiranno agli scienziati di stimare con maggiore precisione come il carbonio fluisce dall'atmosfera all'oceano e di gettare nuova luce sul ciclo globale del carbonio. I cambiamenti nella produttività del fitoplancton possono avere profonde conseguenze, come influenzare la capacità dell'oceano di immagazzinare carbonio e alterare le reti trofiche oceaniche. Di fronte a un clima che cambia, comprendere il ruolo dell'oceano nell'estrarre il carbonio dall'atmosfera e immagazzinarlo per lunghi periodi di tempo è fondamentale.

"Sulla base di modelli di computer imperfetti, abbiamo previsto che la produzione primaria di fitoplancton marino diminuirà in un oceano più caldo, ma non avevamo modo di effettuare misurazioni su scala globale per verificare i modelli. ora lo facciamo, ", ha affermato lo scienziato senior MBARI Ken Johnson.

Trasformando l'anidride carbonica in materia organica, il fitoplancton non solo supporta le reti trofiche oceaniche, sono il primo passo nella pompa biologica del carbonio dell'oceano.

Il fitoplancton consuma anidride carbonica dall'atmosfera e la usa per costruire i loro corpi. Gli organismi marini mangiano il fitoplancton, morire, e poi sprofondare nel profondo fondale marino. Questo carbonio organico viene gradualmente respirato dai batteri in anidride carbonica. Poiché molto di questo accade a grandi profondità, il carbonio viene tenuto lontano dall'atmosfera per lunghi periodi di tempo. Questo processo sequestra il carbonio nelle masse d'acqua e nei sedimenti di acque profonde ed è una componente cruciale nella modellazione del clima della Terra ora e in futuro.

La produttività primaria marina diminuisce e fluisce in risposta ai cambiamenti nel nostro sistema climatico. "Potremmo aspettarci che la produttività primaria globale cambi con il riscaldamento del clima, " ha spiegato Johnson. "Potrebbe salire in alcuni punti, giù negli altri, ma non abbiamo una buona presa su come questi si equilibreranno." Il monitoraggio della produttività primaria è fondamentale per comprendere il nostro clima che cambia, ma osservare la risposta su scala globale è stato un problema significativo.

La misurazione diretta della produttività nell'oceano richiede la raccolta e l'analisi dei campioni. Le limitazioni nelle risorse e nello sforzo umano rendono le osservazioni dirette su scala globale con una risoluzione stagionale o annuale impegnativa e con costi proibitivi. Anziché, il telerilevamento satellitare oi modelli di circolazione generati dal computer offrono la risoluzione spaziale e temporale richiesta. "I satelliti possono essere utilizzati per creare mappe globali della produttività primaria, ma i valori si basano su modelli e non sono misurazioni dirette, "ammonì Johnson.

"Gli scienziati stimano che circa la metà della produttività primaria della Terra avvenga nell'oceano, ma la scarsità delle misurazioni non poteva ancora darci una stima globale affidabile per l'oceano, " ha aggiunto Mariana Bif, un oceanografo biogeochimico ed ex borsista post-dottorato presso MBARI. Ora, gli scienziati hanno una nuova alternativa per studiare la produttività oceanica:migliaia di robot autonomi alla deriva in tutto l'oceano.

Questi robot stanno dando agli scienziati uno sguardo sulla produttività primaria marina in tutta l'area, profondità, E tempo. Stanno trasformando drasticamente la nostra capacità di stimare la quantità di carbonio che l'oceano globale accumula ogni anno. Per esempio, l'Oceano Indiano e il centro dell'Oceano Pacifico meridionale sono regioni in cui gli scienziati hanno pochissime informazioni sulla produttività primaria. Ma questo è cambiato con lo spiegamento di biogeochimici-Argo (BGC-Argo) galleggianti in tutto il mondo.

"Questo lavoro rappresenta una pietra miliare significativa nell'acquisizione dei dati oceanici, " ha sottolineato Bif. "Dimostra quanti dati possiamo raccogliere dall'oceano senza effettivamente andarci".

I galleggianti profilatori BGC-Argo misurano la temperatura, salinità, ossigeno, pH, clorofilla, e nutrienti. Quando gli scienziati schierano per la prima volta un galleggiante BGC-Argo, scende a 1, 000 metri (3, 300 piedi) di profondità e va alla deriva a questa profondità. Quindi, la sua programmazione autonoma si mette al lavoro profilando la colonna d'acqua. Il galleggiante scende a 2, 000 metri (6, 600 piedi), poi risale in superficie. Una volta in superficie, il galleggiante comunica con un satellite per inviare i suoi dati agli scienziati a terra. Questo ciclo viene poi ripetuto ogni 10 giorni.

Per l'ultimo decennio, una flotta crescente di galleggianti BGC-Argo sta effettuando misurazioni attraverso l'oceano globale. I galleggianti catturano migliaia di profili ogni anno. Questa raccolta di dati ha fornito a Johnson e Bif misurazioni sparse dell'ossigeno nel tempo.

La conoscenza del modello di produzione di ossigeno ha permesso a Johnson e Bif di calcolare la produttività primaria netta su scala globale.

Durante la fotosintesi, il fitoplancton consuma anidride carbonica e rilascia ossigeno in un certo rapporto. Misurando la quantità di ossigeno che il fitoplancton rilascia nel tempo, i ricercatori possono stimare la quantità di fitoplancton di carbonio prodotta e la quantità di anidride carbonica che consumano. "L'ossigeno aumenta durante la giornata a causa della fotosintesi, giù di notte a causa della respirazione:se riesci a ottenere il ciclo giornaliero di ossigeno, hai una misura della produttività primaria, " ha spiegato Johnson. Anche se questo è un modello ben noto, questo lavoro rappresenta la prima volta che è stato misurato quantitativamente da strumenti su scala globale piuttosto che stimato attraverso modelli e altri strumenti.

Ma la profilazione esegue il campionamento solo una volta ogni 10 giorni, e Johnson e Bif avevano bisogno di più misurazioni in un giorno per ottenere un ciclo giornaliero. Un nuovo approccio all'analisi dei dati del galleggiante ha permesso a Johnson e Bif di calcolare la produttività primaria dell'oceano. Con ogni galleggiante di profilatura che si alza in un momento diverso della giornata, la combinazione dei dati di 300 galleggianti e dei campioni di varie ore del giorno ha permesso a Johnson e Bif di ricreare il ciclo giornaliero dell'ossigeno che sale e scende e quindi di calcolare la produttività primaria.

Per confermare l'accuratezza delle stime di produttività primaria calcolate dai float BGC-Argo, Johnson e Bif hanno confrontato i loro dati di galleggiamento con i dati di campionamento basati su navi in ​​due regioni:la stazione delle serie temporali dell'Oceano Hawaii (HOT) e la stazione delle serie temporali dell'Atlantico delle Bermuda (BATS). I dati acquisiti dai galleggianti di profilazione vicino a quelle regioni hanno dato risultati simili al campionamento mensile dalle navi in ​​questi due siti per molti anni.

Johnson e Bif hanno scoperto che il fitoplancton produce circa 53 petagrammi di carbonio all'anno. Questa misurazione era vicina ai 52 petagrammi di carbonio all'anno stimati dai modelli informatici più recenti. (Un petagramma è 1, 000, 000, 000, 000 chilogrammi, o un gigaton, e all'incirca l'equivalente del peso di 200 milioni di elefanti.) Questo studio ha convalidato i recenti modelli biogeochimici e ha evidenziato quanto siano diventati robusti questi modelli.

I dati ad alta risoluzione dei galleggianti BGC-Argo possono aiutare gli scienziati a calibrare meglio i modelli di computer per simulare la produttività e garantire che rappresentino le condizioni oceaniche del mondo reale. Questi nuovi dati consentiranno agli scienziati di prevedere meglio come la produttività primaria marina risponderà ai cambiamenti nell'oceano simulando diversi scenari come il riscaldamento delle temperature, cambiamenti nella crescita del fitoplancton, acidificazione degli oceani, e cambiamenti nei nutrienti. Man mano che vengono distribuiti più galleggianti, Johnson e Bif si aspettano che i risultati del loro studio possano essere aggiornati, incertezze decrescenti.

"Non possiamo ancora dire se c'è un cambiamento nella produttività primaria degli oceani perché le nostre serie temporali sono troppo brevi, " ha ammonito Bif. "Ma stabilisce una linea di base attuale dalla quale potremmo rilevare cambiamenti futuri. Ci auguriamo che le nostre stime saranno incorporate in modelli, compresi quelli utilizzati per i satelliti, per migliorare le proprie prestazioni".

Ma già, la ricchezza di dati di questi galleggianti si è rivelata preziosa per migliorare la nostra comprensione della produttività primaria marina e di come il clima della Terra è collegato all'oceano.

I galleggianti BGC-Argo sono stati fondamentali per il progetto Southern Ocean Carbon and Climate Observations and Modeling (SOCCOM), un programma sponsorizzato dalla NSF incentrato sullo svelare i misteri dell'Oceano Antartico e determinarne l'influenza sul clima. E lo scorso anno ha segnato il debutto del progetto Global Ocean Biogeochemistry Array (GO-BGC Array), che consentirà agli scienziati di porre domande fondamentali sugli ecosistemi oceanici, osservare la salute e la produttività dell'ecosistema, e monitorare i cicli elementari del carbonio, ossigeno, e azoto nell'oceano in tutte le stagioni dell'anno.

Le informazioni raccolte da queste iniziative globali collaborative forniscono dati essenziali per migliorare i modelli informatici della pesca oceanica e del clima e per monitorare e prevedere gli effetti del riscaldamento e dell'acidificazione degli oceani sulla vita marina.