L'oceanografo biologico Hugh Ducklow studia la rete alimentare marina e come interagisce con le proprietà fisiche degli oceani. Gran parte del suo lavoro avviene attraverso il Programma di ricerca ecologica a lungo termine (LTER) degli Stati Uniti, in cui i ricercatori hanno studiato per decenni le tendenze in 28 regioni terrestri e marine degli Stati Uniti, insieme ad alcuni siti altrove. Oltre all'oceano aperto, gli studi comprendono deserti, coste, fiumi, foreste e praterie. Dal 2012 al 2018, mentre lavorava presso il Lamont-Doherty Earth Observatory della Columbia University, Ducklow ha guidato il sito LTER di Palmer Station, la base per crociere annuali attraverso 800 chilometri di acque ghiacciate al largo della penisola antartica.

Per celebrare il 40° anniversario del programma LTER, i ricercatori hanno appena pubblicato una serie di articoli su come il cambiamento climatico sta influenzando i loro siti. Ducklow ha guidato la sezione sugli ambienti oceanici aperti, che oltre all'Antartide abbraccia le acque al largo dell'Alaska, della California e del nord-est degli Stati Uniti. Abbiamo parlato con lui del lavoro, delle osservazioni sue e dei colleghi e delle prospettive per il futuro.

Perché dovremmo preoccuparci di ciò che i cambiamenti climatici influiscono sugli oceani?

Oltre al fatto che i frutti di mare costituiscono la principale fonte proteica per circa 3 miliardi di persone, l'oceano assorbe una grande quantità di calore in eccesso e di anidride carbonica generata dall'uomo. Circa il 90 per cento di tutto il calore in eccesso prodotto dall'effetto serra dalla rivoluzione industriale è nell'oceano. L'oceano globale ha anche assorbito da un quarto a un terzo delle nostre emissioni di anidride carbonica. Entrambi questi processi mantengono la temperatura dell'aria più fresca di quanto non sarebbe altrimenti. Ma entrambi hanno dei costi. L'oceano si sta riscaldando a causa del calore aggiunto. Il segnale di riscaldamento causato dall'uomo è rilevabile persino nelle profondità dell'Oceano Antartico. Il maggiore assorbimento di anidride carbonica sta causando l'acidificazione degli oceani. Le conseguenze ecologiche del riscaldamento e dell'acidificazione stanno appena iniziando a essere comprese e la futura capacità di continuare ad accumulare calore e CO₂ non è certo.

Quali sono alcuni degli effetti fisici del clima sulle acque oceaniche e dove li vediamo più fortemente?

Come ho detto, gli oceani si stanno riscaldando, ma il riscaldamento ei suoi effetti non sono uniformi nello spazio o nel tempo. Le risposte al cambiamento climatico da parte del sistema fisico sono più forti ed evidenti proprio in superficie. Questo è importante perché calore e CO₂ vengono scambiati lì e perché il fitoplancton cresce lì. A seconda dei venti, delle tempeste e delle correnti, lo strato superficiale varierà in profondità da quasi zero in estate a oltre 1.000 metri in inverno. La temperatura influenza la profondità dello strato superficiale e, nel caso dei siti polari, anche il ghiaccio marino. Vicino ai poli in inverno c'è poca o nessuna irradiazione solare e il ghiaccio marino copre l'oceano. In primavera, al sorgere del sole, l'oceano in superficie si riscalda e il ghiaccio marino si scioglie, aggiungendo acqua dolce alla superficie. Le acque più calde e più fresche sono meno dense di quelle più fredde e più salate e quindi lo strato superficiale è poco profondo.

La profondità dello strato misto superficiale sta diventando meno profonda nella maggior parte dei siti della rete LTER:l'Antartide di Palmer, la piattaforma continentale nord-orientale degli Stati Uniti e il Golfo dell'Alaska settentrionale. Tuttavia, nessun cambiamento è evidente nella Corrente della California, nonostante un record ininterrotto di osservazioni dal 1950 e il riscaldamento della temperatura dell'acqua.

Quali cambiamenti biologici stanno avvenendo? Possiamo collegarli chiaramente alle tendenze climatiche?

La profondità dello strato superficiale dell'oceano controlla il tasso di crescita del fitoplancton. Quando lo strato superficiale è poco profondo, il fitoplancton viene trattenuto alla luce del sole, ma non ha accesso ai nutrienti. Quando lo strato superficiale è profondo, il fitoplancton può accedere ai nutrienti, ma la luce solare è debole o assente. Le tendenze del fitoplancton sono state documentate in alcuni, ma non in tutti i siti LTER. Il fitoplancton sono gli unici organismi che possono essere rilevati dal satellite, ma le tendenze nella loro abbondanza non sono così chiare come i cambiamenti fisici che ho appena descritto. Le prove del fitoplancton stanno aumentando in Antartide, come previsto in uno strato superficiale discendente, ma diminuendo sulla piattaforma continentale nord-orientale degli Stati Uniti, nonostante l'abbassamento. Nessun cambiamento è evidente negli altri siti. Lo zooplancton mostra tendenze crescenti in Antartide, come previsto dall'aumento del fitoplancton. Stanno aumentando anche nel sistema California Current, anche se il fitoplancton non lo è.

Anche se ci sono lunghe registrazioni di cambiamenti nella Corrente della California (70 anni), nella piattaforma nord-orientale degli Stati Uniti (40 anni) e nell'Antartide di Palmer (30 anni), è ancora difficile dire con certezza che siano causati dai cambiamenti climatici. Le simulazioni numeriche delle immagini satellitari suggeriscono che circa 50 anni è il tempo minimo necessario per attribuire le tendenze osservate al cambiamento climatico. Alcune modifiche potrebbero richiedere un secolo o più.

Succedono cose in Antartide che la distinguono dalle altre regioni?

Una semplice caratteristica distintiva dei mari artico e antartico è che sono ricoperti da ghiaccio marino. Ma la durata e l'estensione della copertura di ghiaccio stanno diminuendo mentre gli oceani polari si riscaldano. I cicli vitali degli organismi artici e antartici come il krill e gli uccelli marini sono in sintonia con la copertura di ghiaccio stagionale e possono essere disturbati quando la copertura diminuisce. Il ghiaccio marino blocca la luce solare, influenzando i tempi di fioritura del fitoplancton. Sebbene il ghiaccio marino stia diminuendo rapidamente su entrambi i poli, gli effetti sono incerti. Con il declino del ghiaccio marino, nuove aree precedentemente coperte di ghiaccio vengono aperte alla crescita del fitoplancton, espandendo l'ecosistema marino polare. Ma quando la copertura scompare, il suo contributo di acqua dolce diminuirà e diminuirà lo strato fresco sulla superficie dell'oceano. L'impatto netto per il futuro ecosistema non è chiaro.

Un'altra caratteristica distintiva degli ecosistemi antartici sembra essere la diversità e il ritmo del cambiamento ecologico. Assumiamo che la variabilità e il cambiamento climatico influenzino prima le proprietà fisiche e poi i cambiamenti fisici causano risposte ecologiche. Le risposte ecologiche possono essere organizzate in quelle che iniziano con il fitoplancton alla base della rete alimentare, cioè risposte dal basso verso l'alto; e quelli che colpiscono i principali predatori come i pinguini con cambiamenti che si propagano attraverso la rete alimentare o risposte dall'alto verso il basso. In Antartide, stiamo assistendo a cambiamenti nel clima e nei sistemi fisici e in tutta la catena alimentare, dalle diatomee al krill ai pinguini. Questi processi si incontrano nel mezzo, convergendo sul krill.

Abbiamo osservato questi siti abbastanza a lungo per avere una buona idea di dove andranno le cose in futuro?

Quanto tempo è necessario per sapere dove sono diretti gli ecosistemi dipende dai cambiamenti che ti interessano. È più facile osservare e documentare i cambiamenti fisici, perché il sistema è costituito solo da calore, salinità, correnti e mescolanze e perché disponiamo di buoni strumenti per effettuare misurazioni di precisione di tali variabili. Al contrario, sono necessarie da decine a centinaia di misurazioni diverse per caratterizzare la variabilità nelle risposte biologiche multispecie e solo alcune possono essere campionate e misurate a distanza. Con alcune eccezioni chiave, il rilevamento dei cambiamenti per molti gruppi di organismi dipende ancora dai singoli scienziati e studenti che effettuano conteggi visivi uno per uno semplici, dispendiosi in termini di tempo e noiosi. Queste misurazioni stanno lentamente diventando automatizzate. I droni, l'acustica montata sulle navi, le videocamere digitali sommergibili e gli alianti oceanici strumentati stanno iniziando a ottenere viste complete e in tempo reale degli oceani. La copertura di ghiaccio marino e gli iceberg sono ancora grandi ostacoli per lasciare gli strumenti incustoditi durante l'inverno, quindi molte misurazioni sono limitate ai mesi estivi senza ghiaccio.

Quali sono state alcune delle sfide nel lavorare al largo dell'Antartide?

Ci sono le sfide ovvie:pianificare il lavoro in una località remota (il viaggio richiede sette giorni porta a porta in ogni direzione) e anticipare tutto ciò di cui potresti aver bisogno. Ci sono tempeste, alto mare, copertura di ghiaccio. Siamo rimasti bloccati nel ghiaccio per due settimane nel settembre 2001. Poi i problemi della catena di approvvigionamento, il reclutamento del personale e il mantenimento di una serie temporale di osservazioni e misurazioni di alta qualità per decenni. Il lavoro per prepararsi per il prossimo anno inizia letteralmente prima di partire per la nave quest'anno. Il progetto non è semplicemente la serie storica, ma una ricerca scientifica viva, in evoluzione, con svolte sbagliate, vicoli ciechi e scoperte inaspettate. Nonostante le sfide, è un posto bellissimo ed eccitante in cui lavorare. + Esplora ulteriormente

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Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione dell'Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.