Studiul aerosolilor din Atlanticul de Nord și al ecosistemelor marine - North Atlantic Aerosols and Marine Ecosystems Study

Logo-ul proiectului Studiul aerosolilor și ecosistemelor marine din Atlanticul de Nord (NAAMES). Imagine oferită de NASA.

Studiul privind aerosolii și ecosistemele marine din Atlanticul de Nord ( NAAMES ) a fost un program de cercetare științifică de cinci ani care a investigat aspecte ale dinamicii fitoplanctonului din ecosistemele oceanice și modul în care o astfel de dinamică influențează aerosolii atmosferici , norii și clima. Studiul s-a concentrat asupra regiunii subarctice a Oceanului Atlantic de Nord, care este locul uneia dintre cele mai mari flori recurente de fitoplancton ale Pământului. Lunga istorie a cercetărilor în această locație, precum și ușurința relativă a accesibilității, au făcut din Atlanticul de Nord o locație ideală pentru a testa ipotezele științifice predominante într-un efort de a înțelege mai bine rolul emisiilor de aerosoli de fitoplancton asupra bugetului energetic al Pământului.

NAAMES a fost condus de oameni de știință de la Universitatea de Stat din Oregon și Administrația Națională de Aeronautică și Spațiu (NASA). Au desfășurat patru campanii de teren în perioada 2015-2018 care au fost concepute pentru a viza fazele specifice ale ciclului anual de fitoplancton: minim, climax, biomasă descrescătoare intermediară și biomasă intermediară crescătoare. Campaniile au fost concepute pentru a respecta fiecare fază unică, pentru a rezolva dezbaterile științifice privind calendarul formațiunilor de înflorire și modelele care determină recreerea anuală a înfloririi. Proiectul NAAMES a investigat, de asemenea, cantitatea, dimensiunea și compoziția aerosolilor generați de producția primară pentru a înțelege modul în care ciclurile de înflorire afectează formațiunile norilor și clima. Oamenii de știință au folosit mai multe metode de cercetare complementare, inclusiv eșantionarea intensivă în câmp prin intermediul navelor de cercetare, eșantionarea aerosolilor în aer prin intermediul avionului și teledetecția prin intermediul sateliților.

Descoperirile de la NAAMES, deși încă viitoare, au aruncat lumină asupra aerosolilor și a nucleelor de condensare a norilor, a ciclurilor anuale de fitoplancton, a fiziologiei fitoplanctonului și a biologiei mezoscalei. Au fost publicate, de asemenea, mai multe progrese metodologice, inclusiv noi algoritmi de teledetecție și progrese în teledetecție prin satelit.

fundal

Ipoteze concurente ale planctonului înflorește

Ipoteza științifică concurentă a variabilității planctonului. Figura adaptată din. Amabilitatea NASA.gov

NAAMES a căutat să înțeleagă mai bine impactul emisiilor de bioaerosoli asupra dinamicii norilor și a climei. De asemenea, a avut ca scop testarea a două ipoteze concurente asupra florilor de plancton:

Ipoteza adâncimii critice - o viziune bazată pe resurse

Ipoteza critică de adâncime este o vedere bazata pe resurse din Atlanticul de Nord infloreste anual fitoplancton. Este explicația tradițională pentru cauza înfloririlor de primăvară și a fost documentată ca un concept fundamental în manualele de oceanografie de peste 50 de ani. Se concentrează pe condițiile de mediu necesare pentru a iniția o înflorire, cum ar fi substanțe nutritive ridicate, amestec mai puțin adânc, lumină crescută și temperaturi mai calde.

Argumentul central pentru ipoteza adâncimii critice este că înfloririle sunt o consecință a ratelor crescute de creștere a fitoplanctonului rezultate din strângerea stratului mixt deasupra adâncimii critice. Adâncimea critică este o adâncime de amestecare suprafață unde fitoplanctonul biomasa de creștere este egal cu pierderile de biomasă fitoplanctonice. În această ipoteză, pierderile sunt atât constante, cât și independente de creștere. Declinul biomasei se poate datora pășunatului , scufundării, diluării, amestecului vertical, infecției sau parazitismului . Când stratul mixt de suprafață devine mai mic decât adâncimea critică, inițierea înfloririi sezoniere are loc datorită creșterii fitoplanctonului care depășește pierderea. Există o corelație a creșterii fitoplanctonului cu creșterile primăverii de lumină, temperatură și adâncimi de stratificare mai reduse.

Încălzirea climei poate crește stratificarea sau scădea adâncimea stratului mixt în timpul iernii, ceea ce ar spori înflorirea vernă sau ar crește biomasa fitoplanctonului dacă această ipoteză ar reglementa dinamica înfloririi fitoplanctonului de primăvară. O critică principală a acestei viziuni bazate pe resurse este că înfloririle de primăvară apar în absența stratificării sau strângerii stratului mixt.

Ipoteza recuplării diluției - o viziune bazată pe ecosistem

Ipoteza diluării-recuplării este o viziune bazată pe ecosistem a florii anuale de fitoplancton din Atlanticul de Nord. Această ipoteză se concentrează pe procesele fizice care modifică echilibrul dintre creștere și pășunat. Înflorirea de primăvară este considerată a fi o caracteristică a unui ciclu anual, iar alte caracteristici din timpul ciclului „stabilesc scena” pentru ca această înflorire să apară.

Această viziune bazată pe ecosistem se bazează pe un experiment de diluare în care adăugarea apei de mare diluează prădătorii, dar nu schimbă creșterea fitoplanctonului. Astfel, ratele de creștere cresc odată cu diluarea. Deși efectul de diluare este tranzitoriu, interacțiunile prădător-pradă pot fi menținute dacă rata adăugării de apă este egală cu rata de creștere. Aprofundarea stratului mixt de suprafață diluează interacțiunile prădător-pradă și decuplează creșterea și pășunatul. Când stratul mixt încetează să se adâncească, creșterea ratei de creștere devine evidentă, dar acum creșterea și pășunatul se cuplează din nou. Strămutarea stratului mixt concentrează prădătorii, crescând astfel presiunea de pășunat. Cu toate acestea, creșterea disponibilității la lumină combate presiunea de pășunat, ceea ce permite ca ratele de creștere să rămână ridicate. La sfârșitul primăverii, când stratul mixt este și mai puțin superficial, epuizarea nutrienților sau supra-pășunatul pune capăt înfloririi - pierderile depășesc creșterea în acest moment al ciclului.

Încălzirea climei ar crește stratificarea și ar suprima amestecarea de iarnă care are loc odată cu adâncirea stratului mixt. Suprimarea amestecului de iarnă ar scădea biomasa fitoplanctonului în conformitate cu această ipoteză.

Procese oceanografice fizice

Dezbatere despre adâncimea stratului mixt

Eddies la scară mezo

Turbinele anticiclonice se rotesc în sensul acelor de ceasornic, iar turbulențele ciclonice se rotesc în sens invers acelor de ceasornic. Procesele de scufundare și ascensiune în oceanul deschis duc la un nucleu cald în vârtejurile anticiclonice și un nucleu rece în vârtejurile ciclonice.

Vâltoarele mezoscale joacă un rol semnificativ în modularea adâncimii stratului mixt (MLD). Fluctuațiile create de vârtejurile mezoscale modulează substanțele nutritive la baza stratului mixt. Aceste modulații, împreună cu disponibilitatea luminii, determină abundența fitoplanctonului în regiune. Disponibilitatea fitoplanctonului afectează în mod semnificativ rețeaua alimentară marină și sănătatea oceanelor.

Curenții în mișcare rapidă din Golful Curentului șerpuiesc și se ciocnesc pentru a crea vârtejuri. Aceste vârtejuri păstrează proprietățile fizice ale masei lor de apă părinte (de exemplu, temperatura, densitatea, salinitatea și alte proprietăți dinamice ale oceanului) atunci când se separă. Pe măsură ce vârtejurile migrează, proprietățile lor fizice se schimbă pe măsură ce se amestecă cu apa din jur. În Golful Golfului, vârtejurile migratoare sunt cunoscute sub numele de vârtejuri anticiclonice sau ciclonice pe baza direcției în care se rotesc (în sensul acelor de ceasornic vs. invers). Cele două vârtejuri diferă prin mișcare, proprietăți fizice și, în consecință, efectele lor asupra biologiei și chimiei oceanului.

Forța Coriolis combinată cu curenți de mare viteză determină mișcarea turbionară. Această mișcare creează o „umflătură”, adică înălțimea mare a suprafeței mării (SSH) în centrul vârtejurilor anticiclonice. În contrast, vârtejurile ciclonice prezintă un SSH scăzut în centru. SSH în ambele anticiclonice și ciclonice scade și respectiv crește, pe măsură ce distanța de la centru crește. Procesele de revărsare și revărsare în vârtejuri creează un miez rece și cald. Vărsarea în vâltoarea anticiclonică împiedică pătrunderea apei mai reci la suprafață, creând astfel un miez cald în centru . În timp ce în vâltoarea ciclonică, vărsarea antrenează apă rece adâncă și formează un miez rece.

Studiile anterioare arată efectele de adâncire ale MLD în vârtejurile anticiclonice și împotmolirea MLD în vârtejurile ciclonice. Aceste fenomene se pot datora pierderii crescute de căldură în atmosferă în vârtejurile anticiclonice. Această pierdere de căldură determină scufundarea apei dense, denumită amestec convectiv, și aprofundarea MLD. În schimb, în vârtejurile ciclonice, temperatura apei la nivelul miezului este mai puțin rece decât turbionul anticiclonic. Prin urmare, acest lucru nu duce la aprofundarea MLD. Studiile efectuate în regiune printr-o rețea de flotoare Argo și simulările de model create prin intermediul datelor prin satelit au arătat cazuri de fenomene opuse. Adâncirea și împiedicarea MLD prin vârtejuri este omniprezentă și variază sezonier. Astfel de anomalii sunt cele mai semnificative în timpul iernii. T hus, rolul vârtejuri scară mezo în MLD este complexă, și o funcție de procese simultane unde îmbunătățite ale vântului de forfecare curenții induși contribuie la o shallowing a MLD în vârtejuri anticiclonice.

Procese atmosferice relevante

Stratul de limită marină

Stratul limită marin (MBL) este partea atmosferei aflată în contact direct cu suprafața oceanului. MBL este influențat de schimbul de căldură, umiditate, gaze, particule și impuls, în principal prin turbulență. MBL se caracterizează prin formarea de celule convective (sau flux vertical de aer) deasupra suprafeței oceanului, care perturbă direcția vântului mediu de suprafață și generează textură, rugozitate și valuri pe suprafața mării. Există două tipuri de straturi limită. Unul este un strat convectiv stabil, situat între cei 100m inferiori ai atmosferei, care se întinde până la aproximativ 3 km înălțime, și este denumit stratul limită convectiv (CBL). Celălalt strat limită se formează ca urmare a unei inversiuni atmosferice de suprafață . Acest lucru se întâmplă în general mai aproape de suprafață în absența turbulenței și a amestecării verticale și se determină prin interpretarea profilelor verticale de umiditate și temperatură. MBL este adesea un fenomen localizat și dinamic temporal și, prin urmare, înălțimea sa în coloana de aer poate varia considerabil de la o regiune la alta, sau chiar de-a lungul a câteva zile. Atlanticul de Nord este o regiune în care se formează în mod obișnuit nori MBL diferiți și bine formați și în care înălțimea stratului MBL poate fi între 2,0 și 0,1 km înălțime

Procese atmosferice regionale

Vestul este vânt predominant în latitudinile medii (între 35 și 65 de grade latitudine), care suflă în regiunile nordice sau sudice ale regiunilor subtropicale de înaltă presiune ale lumii. În consecință, aerosolii eșantionați peste Oceanul Atlantic de Nord vor fi influențați de masele de aer originare din America de Nord și, prin urmare, vor fi caracterizate atât de intrările naturale terestre, cât și de cele antropogene. Relevante pentru NAAMES sunt emisiile din industrie și mediile urbane din estul Americii de Nord, care emit cantități substanțiale de sulfați, carbon negru și compuși aromatici. Astfel de substanțe pot fi transportate sute de kilometri peste mare. Această contribuție a influențelor continentale poate crea un semnal fals pozitiv în semnalele biologice de fluorescență măsurate și ar putea afecta proprietățile microfizice ale norilor din Oceanul Atlantic de Nord deschis. Mai mult, aerosoli precum carbonul negru amestecat cu dioxid de carbon și alte gaze cu efect de seră sunt emise prin arderea imparțială a combustibililor fosili de la motoarele navelor. Aceste hidrocarburi ne-arse sunt prezente în stratul limită marin al Atlanticului de Nord și în majoritatea celorlalte regiuni oceanice îndepărtate. Pe măsură ce aceste particule îmbătrânesc sau sunt transformate chimic în funcție de timp în aer, ele pot modifica proprietățile microfizice și chimice în timp ce reacționează cu alte particule aeropurtate.

Rolul aerosolilor

Distribuția mărimii aerosolilor și modurile lor asociate de acumulare sau eliminare din atmosferă. Diagrama originală de și adaptată de.

Aerosoli

Aerosolii sunt particule solide foarte mici sau picături de lichid suspendate în atmosferă sau în interiorul altui gaz și se formează prin procese naturale sau prin acțiuni umane. Aerosolii naturali includ cenușă vulcanică, particule biologice și praf mineral, precum și carbon negru din arderea naturală a biomasei, cum ar fi incendiile sălbatice. Aerosolii antropici sunt cei care au fost emiși de acțiunile umane, cum ar fi combustia fosilă sau emisiile industriale. Aerosolii sunt clasificați fie ca primari, fie ca secundari, în funcție de faptul că au fost emiși direct în atmosferă (primari) sau dacă au reacționat și s-au schimbat în compoziție (secundari) după ce au fost emiși de la sursa lor. Aerosolii emiși din mediul marin sunt una dintre cele mai mari componente ale aerosolilor naturali primari. Aerosolii primari marini interacționează cu poluarea antropică și, prin aceste reacții, produc alți aerosoli secundari.

Reprezentarea efectului direct și primul indirect al aerosolilor asupra albedo de nori și, prin urmare, echilibrul radiativ al Pământului.

Una dintre cele mai semnificative, dar incerte componente ale modelelor predictive ale schimbărilor climatice este impactul aerosolilor asupra sistemului climatic. Aerosolii afectează echilibrul radiației Pământului în mod direct și indirect. Efectul direct apare atunci când particulele de aerosoli se împrăștie, absorb sau prezintă o combinație a acestor două proprietăți optice atunci când interacționează cu radiațiile solare și infraroșii care intră în atmosferă. Aerosolii care împrăștie de obicei lumina includ sulfați, nitrați și unele particule organice, în timp ce cei care tind să prezinte o absorbție netă includ praf mineral și carbon negru (sau funingine). Al doilea mecanism prin care aerosolii modifică temperatura planetei se numește efect indirect, care apare atunci când proprietățile microfizice ale unui nor sunt modificate provocând fie o creștere a reflexiei radiației solare primite, fie o capacitate inhibată a norilor de a dezvolta precipitații. Primul efect indirect este o creștere a cantității de picături de apă, ceea ce duce la o creștere a norilor care reflectă mai multă radiație solară și, prin urmare, răcesc suprafața planetei. Al doilea efect indirect (numit și efectul de viață al norului) este creșterea numărului de picături, care determină simultan o creștere a dimensiunii picăturilor și, prin urmare, un potențial mai mic de precipitații. Adică, picăturile mai mici înseamnă că norii trăiesc mai mult și păstrează un conținut mai ridicat de apă lichidă, ceea ce este asociat cu rate mai mici de precipitații și albedo mai mare de nori . Acest lucru evidențiază importanța dimensiunii aerosolilor ca unul dintre principalii factori determinanți ai cantității de aerosoli din atmosferă, modul în care aerosolii sunt eliminați din atmosferă și implicațiile acestor procese în climă . Particulele fine sunt în general cele cu diametrul sub 2 micrometri (μm). În această categorie, gama de particule care se acumulează în atmosferă (datorită volatilității scăzute sau creșterii condensării nucleelor) sunt de la 0,1-1 μm și sunt de obicei îndepărtate din aer prin depunere umedă . Depunerea umedă poate fi precipitații, zăpadă sau grindină. Pe de altă parte, particulele grosiere, cum ar fi spray-ul vechi de mare și particulele derivate din plante, sunt îndepărtate din atmosferă prin depunere uscată . Acest proces este numit uneori și sedimentare. Cu toate acestea, diferite tipuri de aerosoli organici biogeni prezintă proprietăți microfizice diferite și, prin urmare, mecanismele lor de îndepărtare din aer vor depinde de umiditate. Fără o mai bună înțelegere a dimensiunilor și compoziției aerosolilor în Oceanul Atlantic de Nord, modelele climatice au capacitatea limitată de a prezice magnitudinea efectului de răcire a aerosolilor în climatul global.

Contribuția aerosolilor și gazelor din atmosferă la forțarea radiativă a Pământului. Aceasta este Figura 8.17 a raportului Grupului de lucru 1 Firth Assessment (AR5) al Grupului interguvernamental privind schimbările climatice (IPCC). Rețineți efectul net de răcire a sulfatilor.

Aerosoli cu spray de mare

Deși cantitatea și compoziția particulelor de aerosoli din atmosfera marină provin atât din surse continentale, cât și din surse oceanice și pot fi transportate la distanțe mari, aerosolii cu pulverizare marină proaspăt emiși (SSA) constituie una dintre sursele majore de aerosoli primari, în special din cei moderați și puternici vânturi. Emisia globală estimată de aerosoli de sare de mare pură este de aproximativ 2.000-10.000 Tg pe an. Mecanismul prin care se produce acest lucru începe cu generarea de bule de aer în valuri de rupere, care apoi se ridică în atmosferă și izbucnesc în sute de picături ultra-fine, cuprinse între 0,1-1,0 μm în diametru. Aerosolii cu pulverizare marină sunt compuși în mare parte din săruri anorganice, cum ar fi sodiul și clorura. Cu toate acestea, aceste bule transportă uneori material organic găsit în apa de mare, formând compuși organici secundari (SOA), cum ar fi sulfura de dimetil (DMS). Acest compus joacă un rol cheie în proiectul NAAMES.

O consecință biogeochimică importantă a SSA este rolul lor de nuclee de condensare a norilor . Acestea sunt particule care asigură suprafețele necesare condensării vaporilor de apă sub condiții de suprasaturare. Congelarea materiei organice din acești aerosoli promovează formarea norilor în medii mai calde și mai uscate decât în cazul în care s-ar forma altfel, în special la latitudini înalte, cum ar fi Oceanul Atlantic de Nord. Materia organică din acești aerosoli ajută la nucleația picăturilor de apă în aceste regiuni, totuși rămân o mulțime de necunoscute, cum ar fi ce fracție conține materiale organice care înghețează gheața și din ce surse biologice. Cu toate acestea, rolul florilor de fitoplancton ca sursă de particule îmbunătățite de nucleație a gheaței a fost confirmat în experimente de laborator, implicând rolul important al acestor aerosoli în forțarea radiativă a norilor. Aerosolii marini primari creați prin emisii de explozie cu bule au fost măsurați în Atlanticul de Nord în primăvara anului 2008 de Experimentul internațional de chimie în tropica inferioară arctică (ICEALOT). Această croazieră de cercetare a măsurat zone curate sau de fond și a constatat că acestea sunt în mare parte compuse din aerosoli marini primari care conțin grupe funcționale hidroxil (58% ± 13) și alchene (21% ± 9), indicând importanța compușilor chimici din aer cu origine biologică. Cu toate acestea, scara temporală mică a acestor măsurători, plus incapacitatea de a determina sursa exactă a acestor particule, justifică necesitatea științifică pentru o mai bună înțelegere a aerosolilor din această regiune.

Bioaerosoli

Bioaerosolii sunt particule compuse din componente vii și non-vii eliberate din ecosistemele terestre și marine în atmosferă. Acestea pot fi păduri, pajiști, culturi agricole sau chiar producători primari marini, cum ar fi fitoplanctonul. Particulele de aerosoli biologici primari (PBAP) conțin o gamă largă de materiale biologice, inclusiv bacterii, arhee, alge și ciuperci și au fost estimate a cuprinde până la 25% din masa totală a aerosolului global. Răspândirea acestor PBAP are loc prin emisie directă în atmosferă prin spori de ciuperci, polen, viruși și fragmente biologice. Concentrațiile și dimensiunile ambientale ale acestor particule variază în funcție de locație și sezonalitate, dar relevante pentru NAAMES sunt dimensiunile tranzitorii ale sporilor de ciuperci (0,05 până la 0,15 μm în diametru) și dimensiunile mai mari (0,1 până la 4 μm) pentru bacterii. Aerosolii organici marini (OA) au fost estimate prin corelația lor cu pigmenții clorofilici pentru a varia în magnitudine între 2-100 Tg pe an. Cu toate acestea, studii recente ale OA sunt corelate cu producția de DMS și într-o măsură mai mică clorofilă, sugerând că materialul organic din aerosolii de sare de mare este conectat la activitatea biologică de la suprafața mării. Astfel, mecanismele care contribuie la aerosolii organici marini rămân neclare și au constituit un obiectiv principal al NAAMES.

Există unele dovezi că bioaerosolii marini care conțin cianobacterii și microalge pot fi dăunători sănătății umane. Fitoplanctonul poate absorbi și acumula o varietate de substanțe toxice, cum ar fi metilmercurul , bifenilii policlorurați (PCB) și hidrocarburile policiclice aromatice . Se știe că cianobacteriile produc toxine care pot fi aerosolizate, care atunci când sunt inhalate de oameni pot afecta sistemul nervos și hepatic. De exemplu, Caller și colab. (2009) au sugerat că bioaeroslii din florile de cianobacterii ar putea juca un rol în incidențele mari de scleroză laterală amiotrofică (SLA) . În plus, un grup de compuși toxici numiți microcistine sunt produse de unele cianobacterii din genurile Microcystis , Synechococcus și Anabaena . Aceste microcistine au fost găsite în aerosoli de către un număr de investigatori, iar astfel de aerosoli au fost implicați ca cauzând cazuri izolate de pneumonie , gastroenterită și boli hepatice grase nealcoolice . Dinoflagelatele sunt, de asemenea, considerate a fi implicate în toxicitatea bioaerosolului, genul Ostreopsis cauzând simptome precum dispnee , febră, rinoree și tuse. Important, aerosolii toxici marini au fost găsiți până la 4 km în interior, dar anchetatorii recomandă studii suplimentare care urmăresc soarta bioaerosolilor în interiorul țării.

Încrengătura fungi din Ascomycota a fost înțeleasă ca contribuie major (72% proporțional în raport cu alte phyla) la bioaerosoli marine, cel puțin în Oceanul de Sud. Dintre acestea, Agaricomycetes constituie majoritatea (95%) dintre clasele de ciuperci din acest filum. În cadrul acestui grup, genul Penicillium este cel mai frecvent detectat în aerosolii cu ciuperci marine. Ciupercile bioaerosoli pot servi și ca nuclee de gheață și, prin urmare, au impact asupra bugetului radiativ din regiunile oceanice îndepărtate, cum ar fi Oceanul Atlantic de Nord.

În plus față de aerosolii cu pulverizare marină (a se vedea secțiunea de mai sus), aerosolii biogeni produși de fitoplancton sunt, de asemenea, o sursă importantă de particule mici (de obicei, 0,2 μm) de nuclee de condensare a norilor (CCN) suspendate în atmosferă. Grupul interguvernamental privind schimbările climatice (IPCC) a prognozat o creștere a temperaturilor globale ale oceanului de suprafață cu +1,3 până la +2,8 grade Celsius în secolul următor, ceea ce va provoca schimbări spațiale și sezoniere în florile de fitoplancton din Atlanticul de Nord. Modificările dinamicii comunității vor afecta foarte mult bioaerosolii disponibili pentru nucleele de condensare a norilor. Prin urmare, formarea norilor în Atlanticul de Nord este sensibilă la disponibilitatea bioaerosolului, dimensiunea particulelor și compoziția chimică.

Bioaerosoli marini și echilibrul global al radiațiilor

Aerosolii marini contribuie semnificativ la aerosolii mondiali. În mod tradițional, ciclismul biogeochimic și modelarea climatică s-au concentrat pe aerosoli cu sare de mare, cu mai puțină atenție asupra particulelor de aerosoli derivate din punct de vedere biogen, cum ar fi sulfații și speciile chimice conexe emise din fitoplancton. De exemplu, în estul Atlanticului de Nord, în timpul înfloririi primăverii 2002, activitatea mare de fitoplancton a fost marcată mai mult de carbon organic (atât specii solubile, cât și insolubile) decât de sărurile marine. Fracțiunea organică din fitoplancton a contribuit cu până la 63% din masa aerosolului din atmosferă, în timp ce în perioadele de iarnă cu activitate biologică scăzută a reprezentat doar 15% din masa aerosolului. Aceste date au furnizat dovezi empirice timpurii ale acestui fenomen de emisie, arătând în același timp că materia organică din biota oceanică poate spori concentrațiile de picături de nori cu până la 100%.

Boomurile de fitoplancton sunt surse importante pentru aerosoli biogeni care furnizează nuclei de condensare a norilor

Date pentru testarea ipotezei CLAW

Există dovezi din ce în ce mai mari care descriu modul în care fitoplanctonul oceanic afectează albedo-ul și climatul norilor prin ciclul biogeochimic al sulfului , așa cum sa propus inițial la sfârșitul anilor 1980. De CLAW ipoteza conceptualizează și încearcă să cuantifice mecanismele prin care fitoplancton pot modifica stratul de nori la nivel mondial și asigură echilibrul radiații la scară planetară sau reglementarea homeostaziei . Pe măsură ce iradianța solară determină producția primară în straturile superioare ale oceanului, aerosolii sunt eliberați în stratul limită planetar . Un procent din acești aerosoli este asimilat în nori, care pot genera apoi o buclă de feedback negativ prin reflectarea radiației solare. Ipoteza bazată pe ecosistem a ciclurilor de înflorire a fitoplanctonului (explorată de NAAMES) sugerează că un ocean care se încălzește ar duce la o scădere a productivității fitoplanctonului. Scăderea fitoplanctonului ar determina o scădere a disponibilității aerosolilor, ceea ce poate duce la mai puțini nori. Acest lucru ar avea ca rezultat o buclă de feedback pozitiv, unde oceanele mai calde conduc la mai puțini nori, ceea ce permite o încălzire mai mare.

Una dintre componentele cheie ale ipotezei CLAW este emisia de dimetilsulfoniopropionat (DMSP) de către fitoplancton. Un alt compus chimic, sulfura de dimetil (DMS), a fost identificat ca un compus volatil major al sulfului în majoritatea oceanelor. Concentrațiile DMS în apa de mare din lume au fost estimate, în medie, de ordinul a 102,4 nanograme pe litru (ng / L). Valorile regionale ale Atlanticului de Nord sunt de aproximativ 66,8 ng / L. Aceste valori regionale variază sezonier și sunt influențate de efectele aerosolilor continentali. Cu toate acestea, DMS este una dintre sursele dominante de compuși biogeni volatili ai sulfului din atmosfera marină. De la conceptualizarea sa, mai multe studii de cercetare au găsit dovezi empirice și circumstanțiale care susțin ipoteza CLAW în latitudinile medii ale Oceanului Atlantic. Campania NAAMES a încercat să ofere o înțelegere empirică a efectelor bioaerosolilor marini asupra formării norilor și a echilibrului global al radiațiilor prin cuantificarea mecanismelor care stau la baza ipotezei CLAW.

Emisii din microstratul de la suprafața mării

Compușii organici dizolvați care conțin resturi de polizaharide , proteine , lipide și alte componente biologice sunt eliberați de fitoplancton și bacterii. Acestea sunt concentrate în geluri de dimensiuni nano pe suprafața oceanelor. Mai exact, astfel de compuși sunt concentrați în microstratul de la suprafața mării (SML), cel mai înalt film de apă din ocean. SML este considerat o „piele” în primul milimetru de apă în care schimbul de materie și energie are loc între mare și atmosferă. Procesele biologice, chimice și fizice care au loc aici pot fi unele dintre cele mai importante oriunde pe Pământ, iar acest strat subțire experimentează prima expunere la schimbări climatice, cum ar fi căldura, gazele urme, vântul, precipitațiile și, de asemenea, deșeurile, cum ar fi nanomaterialele și materiale plastice. SML are, de asemenea, roluri importante în schimbul de gaze aer-mare și în producția de aerosoli organici primari.

Un studiu care utilizează probe de apă și condițiile ambientale din Oceanul Atlantic de Nord a constatat că un exopolimer care conține polizaharide și o proteină sunt ușor aerosolizate în apele oceanului de suprafață, iar oamenii de știință au fost capabili să cuantifice rezoluția cantității și dimensiunii mării primare către transportul aerian al material biogen. Aceste materiale sunt suficient de mici (0,2 μm) pentru a fi emise în mare măsură de fitoplancton și alte microorganisme. Cu toate acestea, prezicerea cantității de aerosoli, distribuția mărimii și compoziția prin probe de apă sunt în prezent problematice. Anchetatorii sugerează că măsurătorile viitoare se concentrează pe compararea tehnicilor de detectare a fluorescenței care sunt capabile să detecteze proteinele din aerosoli. NAAMES a completat această lacună de cercetare prin furnizarea unui instrument pe bază de fluorescență (a se vedea secțiunea despre instrumentele atmosferice de mai jos), atât în coloana de aer, cât și în apropierea suprafeței mării.

NAAMES Obiective

Identificați diferitele caracteristici ale ciclului anual de înflorire a fitoplanctonului în Atlanticul de Nord și determinați diferitele procese fizice care afectează aceste caracteristici.

Pentru realizarea acestui obiectiv, a fost utilizată o combinație de măsurători de navigație, aeriene și de teledetecție. NAAMES a desfășurat mai multe campanii care au avut loc în timpul diferitelor faze ale ciclului, pentru a surprinde caracteristicile tranzitorii importante ale înfloririi anuale pentru o viziune cuprinzătoare.

Înțelegeți cum interacționează diferitele caracteristici ale ciclului anual de fitoplancton din Atlanticul de Nord pentru a „stabili scena” pentru înfloririle anuale.

Acest obiectiv urmărește să reconcilieze ipotezele concurente bazate pe resurse și pe ecosisteme. Scopul NAAMES a fost de a furniza studii mecanice de teren necesare pentru a înțelege o viziune mai holistică a ciclului anual de înflorire.

Determinați modul în care diferitele caracteristici ale ciclului anual de fitoplancton afectează aerosolii marini și formarea norilor.

Efectele aerosolilor asupra norilor sunt un subiect studiat, în ciuda implicațiilor majore pe care le-ar putea avea pentru prezicerea schimbărilor climatice viitoare. Acest obiectiv a abordat acest decalaj utilizând metode combinate de măsurare pentru a înțelege contribuția diferiților aerosoli la formarea norilor produși în fiecare fază majoră a ciclului anual de fitoplancton.

Metodologie

Campanii de teren

Schema diverselor strategii de eșantionare pentru campaniile de cercetare NAAMES, inclusiv senzori prin satelit, măsurători și desfășurări de nave și teledetecție a aeronavelor. De asemenea, descrie procese cheie, cum ar fi brațele de fitoplancton și emisia și dispersia de aerosoli.

Au fost efectuate patru campanii de teren pentru a viza cele patru modificări specifice pe parcursul ciclului anual de plancton. Cele patru campanii NAAMES au sincronizat colecțiile de date de pe navă, aer și sateliți și au fost planificate strategic pentru a surprinde cele patru faze unice ale florilor de plancton din Atlanticul de Nord: tranziția de iarnă, faza de acumulare, tranziția climax și faza de epuizare.

Campania 1: eșantionarea tranziției de iarnă s-a finalizat între 5 noiembrie și 2 decembrie 2015

Campania 2: eșantionarea Climax Transition s-a finalizat între 11 mai și 5 iunie 2016

Campania 3: eșantionarea fazei în declin a fost finalizată 30 august - 24 septembrie 2017

Campania 4: Eșantionarea fazei de acumulare s-a finalizat între 20 martie și 13 aprilie 2018

Zona de studiu pentru NAAMES care descrie traseele navelor de cercetare și desfășurarea de flote autonome de profilare. Imagine oferită de NASA.

Prelevarea de probe

Croaziere de cercetare pe R / V Atlantis

Instrumentele navale au măsurat gaze, particule și compuși organici volatili deasupra suprafeței oceanului. Probele de apă au fost, de asemenea, colectate pentru a descrie compoziția comunității planctonice, ratele de productivitate și respirație și stresul fiziologic.

Toate cele patru campanii au urmat un plan similar de navă și zbor. R / V Atlantis a plecat de la Woods Hole, Massachusetts , să se angajeze pe croaziere de 26 zile care acoperă 4700 de mile marine. Nava a navigat mai întâi la 40 W. Apoi s-a deplasat spre nord de la 40 N la 55 N latitudine de-a lungul paralelei de 40 W longitudine. Acest transect intensiv sud-nord a implicat mai multe măsurători staționare. Nava s-a întors apoi în portul din Woods Hole. ^{${\ displaystyle \ circ}$}^{${\ displaystyle \ circ}$}^{${\ displaystyle \ circ}$}^{${\ displaystyle \ circ}$}

Eșantionarea în curs de desfășurare (de exemplu, în timp ce nava se deplasa) a avut loc de-a lungul întregii croaziere utilizând sistemul de analiză a fluxului de apă de mare al navei. Apoi, odată ce a ajuns la începutul zonei de transect triunghiular, nava s-a oprit de două ori pe zi în zori și prânz pentru măsurători staționare pentru a colecta probe de apă pentru incubare (de exemplu, respirație) și pentru a efectua eșantionarea coloanei de apă și măsurători optice.

Oamenii de știință au folosit, de asemenea, flotoare ARGO autonome în trei locații în timpul fiecărei croaziere. Aceste instrumente plutitoare autonome au măsurat parametri precum clorofila (o măsură a abundenței fitoplanctonului), intensitatea luminii, temperatura, densitatea apei și particulele în suspensie. Un total de 12 instrumente autonome au fost desfășurate în timpul celor patru croaziere.

Eșantionare aeriană

Măsurătorile pe bază de avioane au fost proiectate să ruleze exact în același timp cu navele de cercetare, astfel încât oamenii de știință să poată lega procesele de la nivelul oceanului cu cele din atmosfera inferioară. Datele prin satelit au fost, de asemenea, sintetizate pentru a crea o înțelegere mai completă a dinamicii planctonului și a aerosolilor și a impactului lor potențial asupra climei și ecosistemelor.

Eșantionarea aeriană a implicat un C-130 echipat cu instrumente științifice sensibile. Echipajul de zbor cu sediul la St. John's, Canada , a efectuat zboruri de 10 ore într-un „model Z” deasupra zonei de studiu. Zborurile au avut loc atât la înălțimi mari, cât și la altitudini mici pentru a măsura înălțimile aerosolilor și caracteristicile spațiale ale aerosolului / ecosistemului. Zborurile la mare altitudine au colectat date despre aerosoli deasupra norului și măsurători atmosferice ale aerosolilor de fond din troposferă. Odată deasupra navei, avionul a suferit coborâri spirale la altitudine mică pentru a obține date despre structura verticală a aerosolilor. Aceste zboruri la altitudine mică au prelevat aerosoli în stratul de graniță marină. Eșantionarea norilor măsurată măsurarea numărului, densității și dimensiunii picăturilor în nor.

Observații prin satelit

Măsurătorile prin satelit au fost folosite aproape în timp real pentru a ghida mișcarea navei și planificarea zborului. Măsurătorile au inclus înălțimea suprafeței mării, temperatura suprafeței mării, culoarea oceanului, vânturile și norii. Datele prin satelit au furnizat, de asemenea, concentrații medii de clorofilă de suprafață prin intermediul Spectroradiometrului de imagistică cu rezoluție moderată (MODIS), ca un proxy pentru productivitatea primară.

Flotoare ARGO autonome

Instrumentele autonome in situ numite plutitoare Argo au fost implementate pentru a colecta proprietăți fizice și măsurători bio-optice. Flotoarele Argo sunt un instrument alimentat de baterii care utilizează hidraulică pentru a-și controla flotabilitatea pentru a coborî și urca în apă. Flotoarele Argo colectează atât proprietățile biologice, cât și cele fizice ale oceanului. Datele colectate de pe plutitoare sunt transmise de la distanță prin satelitul ARGOS .

Instrumente atmosferice

Instrumentele utilizate pentru caracterizarea proceselor din atmosferă pot fi împărțite în cele care măsoară compoziția gazelor și în cele care măsoară compoziția proprietăților optice. În general, instrumentele de prelevare a aerosolilor sunt clasificate în funcție de capacitatea lor de a măsura proprietățile optice, fizice sau chimice. Proprietățile fizice includ parametri precum diametrul și forma particulelor.

Doi parametri optici frecvent măsurați sunt absorbția și împrăștierea luminii de către particulele de aerosoli. Coeficienții de absorbție și împrăștiere depind de cantitatea de aerosoli.

Flotorul autonom ARGOS colectează măsurători de conductivitate, temperatură și adâncime (CTD). Își reglează sistemul hidraulic pentru a urca și coborî în apă.

Răspândirea totală a luminii prin particule de aerosoli poate fi măsurată cu un nefelometru. În schimb, absorbția luminii în aerosoli poate fi măsurată folosind mai multe tipuri de instrumente, cum ar fi fotometrul de particule / absorbție (PSAP) și fotometrul de absorbție continuă a luminii (CLAP). În ambele instrumente, particulele sunt colectate pe un filtru și transmisia luminii prin filtru este monitorizată continuu. Această metodă se bazează pe tehnica de integrare a plăcii, în care schimbarea transmisiei optice a unui filtru cauzată de depunerea particulelor este legată de coeficientul de absorbție a luminii particulelor depuse folosind legea lui Beer-Lambert.

Unul dintre instrumentele folosite pentru a caracteriza cantitatea și compoziția bioaerosolilor a fost senzorii integrați de bandă largă Bioaerosol (WIBS). Acest instrument folosește fluorescența indusă de lumina ultravioletă (UV-LIF) pentru a detecta semnalele de fluorescență de la aminoacizi obișnuiți, cum ar fi triptofan și nicotinamidă adenină dinucleotidă (NADH). O lampă care clipește cu xenon gazos este capabilă să detecteze dimensiunea și forma particulelor folosind benzi de undă ultraviolete de înaltă precizie (280 nm și 370 nm).

Constatări științifice

Rezultate

Unele rezultate care rezultă din cercetările NAAMES includ articole științifice despre aerosoli și nuclei de condensare a norilor, ciclurile anuale de fitoplancton, fiziologia fitoplanctonului și biologia mezoscală. Au existat, de asemenea, publicații despre metodologii îmbunătățite, inclusiv noi algoritmi de teledetecție și progrese în teledetecție prin satelit.

Cicluri anuale de fitoplancton

Modificările sezoniere ale biomasei fitoplanctonului sunt controlate de interacțiunile prădător-pradă și de modificările condițiilor stratului mixt, cum ar fi temperatura, lumina și nutrienții. Înțelegerea importanței relative a acestor diferiți factori în diferite etape ale ciclului sezonier permite predicții mai bune despre viitoarele schimbări ale oceanului. O publicație din NAAMES a constatat că adâncimea stratului mixt de iarnă este corelată pozitiv cu concentrațiile de clorofilă de primăvară din Marea Labrador . Pierderile prin scufundare în timpul iernii au fost compensate de creșterea netă a fitoplanctonului, iar această creștere netă în timpul iernii a fost cel mai probabil o funcție a pășunatului redus datorită diluării.

Fiziologia fitoplanctonului

Înțelegerea diferențelor taxonomice în fotoaclimatare și strategii generale de fotoaclimatare a comunității fitoplanctonice este importantă pentru construirea modelelor care se bazează pe lumină ca factor major care controlează dinamica înfloririi. Mai mult, o mai bună înțelegere a fiziologiei bazate pe lumina fitoplanctonului poate ajuta la citiri mai bune ale datelor prin satelit privind concentrațiile de clorofilă și temperatura suprafeței mării. Un studiu NAAMES a determinat răspunsurile de fotoaclimatare ale mai multor grupuri taxonomice în timpul unui eveniment de furtună de 4 zile care a provocat amestecarea profundă și stratificarea în Oceanul Atlantic subarctic . Au existat diferențe semnificative în fotoaclimatare și acumulare de biomasă la diferite adâncimi de intensitate a luminii în timpul furtunii.

Biologie mezoscală

Unul dintre cele mai recente rezultate ale campaniei NAAMES include o mai bună înțelegere a modului în care biologia ajută la extragerea dioxidului de carbon atmosferic în coloana de apă. Mai exact, impactul migrației verticale a zooplanctonului asupra exportului de carbon către marea profundă prin intermediul pompei biologice a fost parametrizat și modelat pentru prima dată.

Aerosoli și nuclee de condensare a norilor

Ilustrația surselor de aerosoli găsiți în timpul croazierelor NAAMES

O diferență clară sezonieră în cantitatea de aerosoli sulfat biogenici a fost descoperită în Atlanticul de Nord ca urmare a campaniei NAAMES. Acești aerosoli au fost urmăriți la două origini biogene diferite, ambele marine datorită lipsei influenței masei de aer continentale în perioada de studiu. Originea biogenă a fost producerea de sulfură de dimetil (DMS) de către fitoplancton, care acționează apoi ca nuclee de condensare a norilor (CCN) și afectează formarea norilor. Acest studiu a clasificat sulfații ca „nou sulfat”, format prin nucleație în atmosferă; și „Sulfat adăugat”, care erau aerosoli existenți în atmosfera în care a fost încorporat sulfatul. În timpul croazierei din noiembrie 2015 (Campania 1), sarea primară de mare a fost principalul mecanism (55%) pentru bugetul CCN. Cu toate acestea, în timpul înfloririi de primăvară în mai-iunie 2016 (campania 2), sulfatul adăugat a reprezentat 32% din CCN, în timp ce sarea de mare a reprezentat 4%. Aceste măsurări empirice în funcție de sezonalitate vor contribui la îmbunătățirea preciziei modelelor climatice care simulează efectele de încălzire sau răcire ale bioaerosolilor marini.

Metodologii de măsurare îmbunătățite

Oamenii de știință NAAMES au dezvoltat mai multe tehnici noi de măsurare în timpul proiectului. De exemplu, sortarea citometriei în flux combinată cu detectarea bioluminiscentă a ATP și NADH oferă o determinare relativ precisă a productivității primare nete a fitoplanctonului, a ratei de creștere și a biomasei. Atât testele de laborator, cât și cele de teren au validat această abordare, care nu necesită tehnici tradiționale de incubație a izotopului carbon-14. Alți anchetatori NAAMES au folosit noi tehnici pentru a măsura distribuția mărimii particulelor , care este o metrică importantă a biogeochimiei și dinamicii ecosistemelor. Cuplând un sizer submersibil cu particule de difracție laser cu un sistem de apă de mare care curge continuu, oamenii de știință au reușit să măsoare cu exactitate distribuția mărimii particulelor la fel de bine ca și metode mai stabilite (dar mai mari în timp și efort), cum ar fi Coulter counter și flow-cytobot. Pe lângă noile tehnici oceanografice, echipa NAAMES a dezvoltat și o metodă nouă de colectare a apei din nori. O sondă montată pe aeronavă a folosit separarea inerțială pentru a colecta picături de nor din atmosferă. S-a raportat că tehnica lor de ciclon axial colectează apă din nori la o rată de 4,5 ml pe minut, care a fost stocată și analizată ulterior în laborator.

Noi algoritmi de teledetecție

Progresele în algoritmii de teledetecție au fost, de asemenea, dezvoltate în timpul expedițiilor NAAMES. Zhang și colab. a furnizat corecții atmosferice pentru instrumentul de simulare a aerului (GCAS) geostationar hipostatic și geostationar, utilizând atât abordări vicare, cât și abordări de umbră. Alți oameni de știință au testat noi abordări pentru măsurarea dimensiunii picăturilor de nor și au descoperit că utilizarea unui polarimetru de scanare de cercetare a fost corelată bine cu măsurătorile directe ale sondei de picături de nor și cu rezoluția LIDAR cu spectru înalt. Descoperirile lor sugerează că recuperarea dimensiunii picăturilor polarimetrice poate fi un instrument precis și util pentru a măsura dimensiunea globală a picăturilor de nor.

Progrese în teledetecția oceanului LIDAR prin satelit

Echipa NAAMES a făcut progrese în utilizarea LIDAR în oceanografie. De exemplu, Behrenfeld și colab. (2017) au arătat că LIDAR bazat pe spațiu ar putea capta cicluri anuale de dinamică a fitoplanctonului în regiunile poleward de 45 de latitudine. Folosind aceste noi tehnici, au descoperit că biomasa fitoplanctonică din Antarctica se schimbă în principal din cauza acoperirii cu gheață, în timp ce în arctica modificările fitoplanctonului sunt determinate în principal de procese ecologice. Într-o altă lucrare, echipa a descris noi progrese în tehnicile LIDAR prin satelit și a susținut că o nouă eră a LIDAR bazată pe spațiu are potențialul de a revoluționa teledetecția oceanografică. ^{${\ displaystyle \ circ}$}

Implicații viitoare

NAAMES a furnizat date inovatoare despre aerosoli și relația lor cu numeroase ecosisteme și parametri oceanografici. Descoperirile și inovațiile lor metodologice pot fi folosite de modelatori pentru a determina modul în care viitoarele schimbări ale ecosistemului oceanic ar putea afecta clima.

Date NAAMES

Versiunile finalizate ale datelor de teren pot fi vizualizate prin intermediul Centrelor de arhivă activă distribuite (DAAC) ale NASA. Datele pentru fiecare campanie de croazieră au fost stocate ca proiecte separate și informațiile fiecărei campanii au fost publicate public în termen de 1 an de la colectarea măsurătorilor. Informațiile navale pot fi vizualizate prin intermediul sistemului de arhivare și stocare bio-optică SeaWiFS (SeaBASS), în timp ce informațiile aeriene pot fi vizualizate prin intermediul Centrului de date științei atmosferice (ASDC).

NAAMES anticipează numeroase publicații suplimentare care vor fi lansate în următorii ani, din cercetarea și prelucrarea continuă a datelor.

Languages

In other projects