Severoatlantická studie aerosolů a mořských ekosystémů - North Atlantic Aerosols and Marine Ecosystems Study

Logo projektu North Atlantic Aerosols and Marine Ecosystems Study (NAAMES). Obrázek s laskavým svolením NASA.

The North Atlantic Aerosols and Marine Ecosystems Study ( NAAMES ) byl pětiletý vědecký výzkumný program, který zkoumal aspekty dynamiky fytoplanktonu v oceánských ekosystémech a jak taková dynamika ovlivňuje atmosférické aerosoly , mraky a klima. Studie se zaměřila na subarktickou oblast severního Atlantského oceánu, kde se nachází jeden z největších opakujících se květů fytoplanktonu na Zemi. Dlouhá historie výzkumu v této lokalitě a také relativně snadná přístupnost učinily ze severního Atlantiku ideální místo pro testování převládajících vědeckých hypotéz ve snaze lépe porozumět roli emisí aerosolu fytoplanktonu v energetickém rozpočtu Země.

NAAMES vedli vědci z Oregonské státní univerzity a Národního úřadu pro letectví a vesmír (NASA). Provedli čtyři terénní kampaně v letech 2015–2018, které byly navrženy tak, aby se zaměřily na konkrétní fáze ročního cyklu fytoplanktonu: minimum, vrchol, přechodná snižování biomasy a zvyšování přechodné biomasy. Kampaně byly navrženy tak, aby sledovaly každou jedinečnou fázi, aby se vyřešily vědecké debaty o načasování květových útvarů a vzorcích, které řídí každoroční opětovné vytváření květu. Projekt NAAMES také zkoumal množství, velikost a složení aerosolů generovaných primární výrobou , aby pochopil, jak cykly květů ovlivňují oblačné formace a klima. Vědci použili několik komplementárních výzkumných metod, včetně intenzivního terénního vzorkování přes výzkumné lodě, vzorkování aerosolového vzduchu letadlem a dálkového průzkumu pomocí satelitů.

Zjištění společnosti NAAMES, i když stále přicházejí, vrhla světlo na aerosoly a jádra kondenzace mraků, roční cykly fytoplanktonu, fyziologii fytoplanktonu a biologii mesoscale. Bylo také publikováno několik metodických pokroků, včetně nových algoritmů dálkového průzkumu a pokroku v satelitním dálkovém průzkumu.

Pozadí

Konkurenční hypotézy kvetení planktonu

Konkurenční vědecká hypotéza variability planktonu. Obrázek upraven z. S laskavým svolením NASA.gov

NAAMES se snažil lépe porozumět dopadu emisí bioaerosolu na dynamiku mraků a klima. Cílem bylo také otestovat dvě konkurenční hypotézy o květu planktonu:

Hypotéza kritické hloubky - pohled na zdroje

Kritická hloubka hypotéza je pohled na zdroje založené Severoatlantické každoroční šíření rostlinného planktonu. Jedná se o tradiční vysvětlení příčiny jarních květů a je dokumentován jako základní koncept v učebnicích oceánografie více než 50 let. Zaměřuje se na podmínky prostředí nezbytné k zahájení květu, jako jsou vysoké živiny, mělčí míchání, zvýšené světlo a teplejší teploty.

Ústředním argumentem pro hypotézu kritické hloubky je, že květy jsou důsledkem zvýšené rychlosti růstu fytoplanktonu vyplývající z hejnění smíšené vrstvy nad kritickou hloubkou. Kritická hloubka je povrch směšovací hloubky, kde fytoplanktonu biomasa je nárůst fytoplanktonu ztráty biomasy. V této hypotéze jsou ztráty konstantní a nezávislé na růstu. Pokles biomasy může být způsoben pastvou , potopením, ředěním, vertikálním mícháním, infekcí nebo parazitismem . Když se povrchová smíšená vrstva stane mělčí než kritická hloubka, dojde k zahájení sezónního květu v důsledku růstu fytoplanktonu převyšujícího ztrátu. Existuje korelace růstu fytoplanktonu s jarním nárůstem světla, teploty a mělčích stratifikačních hloubek.

Oteplování klimatu může v zimě zvýšit stratifikaci nebo snížit hloubku smíšené vrstvy, což by posílilo jarní květ nebo zvýšilo biomasu fytoplanktonu, pokud by tato hypotéza řídila dynamiku květu jarního fytoplanktonu. Primární kritikou tohoto pohledu založeného na zdrojích je, že jarní květy se vyskytují bez stratifikace nebo hejna smíšené vrstvy.

Hypotéza spojující ředění-pohled na ekosystém

Hypotéza opětovného zředění je ekosystémový pohled na severoatlantický roční květ fytoplanktonu. Tato hypotéza se zaměřuje na fyzikální procesy, které mění rovnováhu mezi růstem a pastvou. Jarní květ je považován za jeden rys ročního cyklu a další rysy během cyklu „připravují půdu“ pro tento květ.

Tento pohled na ekosystém je založen na ředicím experimentu, kde přidání mořské vody ředí dravce, ale nemění růst fytoplanktonu. Tempo růstu se tedy zvyšuje s ředěním. Ačkoli je účinek ředění přechodný, interakce dravec-kořist lze zachovat, pokud se rychlost přidání vody rovná rychlosti růstu. Prohloubení povrchové smíšené vrstvy zředí interakce dravec-kořist a oddělí růst a pastvu. Když se smíšená vrstva přestane prohlubovat, zvýšení rychlosti růstu se projeví, ale nyní se růst a pastva opět spojí. Hejno smíšené vrstvy koncentruje dravce, čímž se zvyšuje pastevní tlak. Zvýšení dostupnosti světla však potlačuje tlak na pastvu, což umožňuje, aby tempo růstu zůstalo vysoké. Na konci jara, kdy je smíšená vrstva ještě mělčí, vyčerpání živin nebo nadměrné spásání končí kvetení - ztráty v tomto bodě cyklu převyšují růst.

Oteplování klimatu by zvýšilo stratifikaci a potlačilo zimní míchání, ke kterému dochází při prohlubování smíšené vrstvy. Potlačení zimního míchání by podle této hypotézy snížilo biomasu fytoplanktonu.

Fyzikální oceánografické procesy

Debata o hloubce smíšené vrstvy

Vírky ve středním měřítku

Anticyklonické víry se otáčejí ve směru hodinových ručiček a cyklónové víry proti směru hodinových ručiček. Procesy downwelling a Upwelling v otevřeném oceánu vedou k teplému jádru v proticyklonových vírech a studenému jádru v cyklonických vírech.

Mezoscale víry hrají významnou roli v modulaci hloubky smíšené vrstvy (MLD). Fluktuace vytvořené mezoskalními víry modulují živiny v základně smíšené vrstvy. Tyto modulace spolu s dostupností světla řídí hojnost fytoplanktonu v této oblasti. Dostupnost fytoplanktonu významně ovlivňuje web mořských potravin a zdraví oceánů.

Rychle se pohybující proudy v Golfském proudu se klikatí a svírají a vytvářejí víry. Tyto víry si při oddělení zachovávají fyzikální vlastnosti své mateřské vodní hmoty (např. Teplotu, hustotu, slanost a další dynamické vlastnosti oceánu). Jak migrují víry, mění se jejich fyzikální vlastnosti, když se mísí s okolní vodou. V Golfském proudu jsou migrující víry známé jako anticyklonální nebo cyklonové víry podle směru, ve kterém se točí (ve směru hodinových ručiček vs. proti směru hodinových ručiček). Tyto dva víry se liší pohybem, fyzikálními vlastnostmi a následně i svými účinky na biologii a chemii oceánu.

Síla Coriolisova v kombinaci s vysokou rychlostí proudy řídit vířivého pohybu. Tento pohyb vytváří „bouli“, tj. Vysokou výšku hladiny moře (SSH) ve středu anticyklonických vírů. Naproti tomu cyklónové víry vykazují ve středu nízké SSH. SSH jak v anticyklonální, tak v cyklonální se snižuje a zvyšuje se s rostoucí vzdáleností od středu. Upwelling a downwelling procesy ve vírech vytvářejí studené a teplé jádro. Downwelling v anticyklonální vířence brání vstupu chladnější vody na povrch, čímž se ve středu vytvoří teplé jádro . Zatímco v cyklonickém víru unášení strhává hlubokou studenou vodu a vytváří chladné jádro.

Předchozí studie ukazují prohlubující se účinky MLD pod anticyklonálními víry a hejnové MLD v cyklonických vírech. Tyto jevy mohou být způsobeny zvýšenými tepelnými ztrátami do atmosféry v anticyklonálních vírech. Tato ztráta tepla způsobuje potopení husté vody, označované jako konvekční míchání, a prohloubení MLD. Naproti tomu v cyklonových vírech je teplota vody v jádru méně chladná než u proticyklonových vírů. To proto nevede k prohloubení MLD. Studie prováděné v regionu prostřednictvím sítě Argo Floats a modelové simulace vytvořené prostřednictvím satelitních dat ukázaly případy opačných jevů. Prohlubování a hejno MLD prostřednictvím vírů je všudypřítomné a mění se sezónně. Takové anomálie jsou nejvýznamnější v zimě. T Hus, úloha meso měřítku vírů v MLD je komplexní, a funkcí souběžných procesů, kde zvýšená střihu větru indukované proudy přispívají k shallowing MLD v anticyklonálních vírů.

Relevantní atmosférické procesy

Námořní hraniční vrstva

Námořní hraniční vrstva (MBL) je část atmosféry v přímém kontaktu s hladinou oceánu. MBL je ovlivňován výměnou tepla, vlhkosti, plynů, částic a hybnosti, primárně prostřednictvím turbulencí. MBL je charakterizována tvorbou konvekčních buněk (nebo vertikálního proudění vzduchu) nad hladinou oceánu, které narušují směr středního povrchového větru a vytvářejí texturu, drsnost a vlny na povrchu moře. Existují dva typy mezních vrstev. Jedna je stabilní, konvekční vrstva nacházející se mezi spodními 100 m atmosféry sahající přibližně do výšky 3 km a je označována jako konvekční mezní vrstva (CBL). Druhá mezní vrstva se tvoří v důsledku povrchové atmosférické inverze . K tomu obvykle dochází blíže k povrchu bez turbulencí a vertikálního míchání a je určeno interpretací vertikálních profilů vlhkosti a teploty. MBL je často lokalizovaný a dočasně dynamický jev, a proto se jeho výška do vzduchového sloupce může v různých oblastech značně lišit, nebo dokonce během několika dnů. Severní Atlantik je region, kde se běžně vytvářejí různorodá a dobře tvarovaná mračna MBL a kde výška vrstvy MBL může být mezi 2,0 a 0,1 km na výšku

Regionální atmosférické procesy

Na západě převládají větry ve středních zeměpisných šířkách (mezi 35 a 65 stupni zeměpisné šířky), které vanou v oblastech severně nebo jižně od vysokotlakých subtropických oblastí světa. V důsledku toho budou aerosoly vzorkované nad severním Atlantským oceánem ovlivňovány vzdušnými masami pocházejícími ze Severní Ameriky, a proto budou charakterizovány jak přírodními pozemskými, tak antropogenními vstupy. Pro NAAMES jsou relevantní emise z průmyslu a městského prostředí ve východní části Severní Ameriky, které emitují značné množství síranů, černého uhlíku a aromatických sloučenin. Takové látky lze přepravovat stovky kilometrů po moři. Tento příspěvek kontinentálních vlivů může vytvářet falešně pozitivní signál v měřených biologických fluorescenčních signálech a mohl by ovlivnit mikrofyzikální vlastnosti mraku v otevřeném severním Atlantském oceánu. Kromě toho jsou aerosoly, jako je černý uhlík smíchaný s oxidem uhličitým a dalšími skleníkovými plyny, emitovány nestranným spalováním fosilních paliv z lodních motorů. Tyto nespálené uhlovodíky jsou přítomny v mořské hraniční vrstvě severního Atlantiku a většiny ostatních odlehlých oceánských oblastí. Jak tyto částice stárnou nebo jsou chemicky transformovány jako funkce času ve vzduchu, mohou při reakci s jinými částicemi ve vzduchu měnit mikrofyzikální a chemické vlastnosti.

Role aerosolů

Distribuce velikosti aerosolu a s nimi spojené způsoby akumulace nebo odstraňování z atmosféry. Původní diagram vytvořil a upravil.

Aerosoly

Aerosoly jsou velmi malé pevné částice nebo kapičky kapaliny suspendované v atmosféře nebo v jiném plynu a vznikají přirozenými procesy nebo lidským jednáním. Mezi přírodní aerosoly patří sopečný popel, biologické částice a minerální prach, stejně jako černý uhlík z přirozeného spalování biomasy, jako jsou požáry. Antropogenní aerosoly jsou ty, které byly emitovány lidskou činností, jako je spalování fosilních paliv nebo průmyslové emise. Aerosoly jsou klasifikovány jako primární nebo sekundární v závislosti na tom, zda byly přímo emitovány do atmosféry (primární) nebo zda reagovaly a změnily se ve složení (sekundární) poté, co byly emitovány ze svého zdroje. Aerosoly emitované z mořského prostředí jsou jednou z největších složek primárních přírodních aerosolů. Primární námořní aerosoly interagují s antropogenním znečištěním a prostřednictvím těchto reakcí produkují další sekundární aerosoly.

Reprezentace přímého a prvního nepřímého účinku aerosolů na albedo mraků a tedy radiační rovnováhu Země.

Jednou z nejvýznamnějších, ale nejistých složek prediktivních modelů změny klimatu je dopad aerosolů na klimatický systém. Aerosoly ovlivňují radiační rovnováhu Země přímo i nepřímo. K přímému účinku dochází, když částice aerosolu rozptylují, absorbují nebo vykazují kombinaci těchto dvou optických vlastností při interakci s přicházejícím slunečním a infračerveným zářením v atmosféře. Aerosoly, které typicky rozptylují světlo, zahrnují sírany, dusičnany a některé organické částice, zatímco ty, které vykazují čistou absorpci, zahrnují minerální prach a černý uhlík (nebo saze). Druhý mechanismus, kterým aerosoly mění teplotu planety, se nazývá nepřímý účinek, ke kterému dochází, když se změní mikrofyzikální vlastnosti mraku, což způsobí buď zvýšení odrazu přicházejícího slunečního záření, nebo inhibovanou schopnost mraků vyvíjet srážky. Prvním nepřímým efektem je zvýšení množství vodních kapiček, což vede k nárůstu mraků, které odrážejí více slunečního záření, a proto ochlazují povrch planety. Druhým nepřímým efektem (nazývaným také celoživotní efekt mraku) je nárůst počtu kapiček, který současně způsobuje zvětšení velikosti kapiček, a tedy menší potenciál pro srážení. To znamená, že menší kapičky znamenají, že mraky žijí déle a zachovávají si vyšší obsah kapalné vody, což je spojeno s nižší mírou srážek a vyšším cloudovým albedem . To zdůrazňuje důležitost velikosti aerosolu jako jednoho z primárních determinantů množství aerosolu v atmosféře, jak jsou aerosoly odstraňovány z atmosféry, a důsledky těchto procesů v klimatu . Jemnými částicemi jsou obecně částice o průměru pod 2 mikrometry (μm). V této kategorii je rozsah částic, které se hromadí v atmosféře (v důsledku nízké těkavosti nebo kondenzačního růstu jader), od 0,1 do 1 μm a jsou obvykle odstraněny ze vzduchu mokrou depozicí . Mokrá depozice může být srážení, sníh nebo kroupy. Na druhou stranu jsou hrubé částice, jako jsou staré mořské spreje a částice získané z rostlin, odstraněny z atmosféry suchou depozicí . Tento proces se někdy také nazývá sedimentace. Různé typy biogenních organických aerosolů však vykazují různé mikrofyzikální vlastnosti, a proto jejich mechanismy odstraňování ze vzduchu budou záviset na vlhkosti. Bez lepšího pochopení velikostí a složení aerosolů v severním Atlantiku mají klimatické modely omezenou schopnost předpovídat velikost chladicího účinku aerosolů v globálním klimatu.

Příspěvek aerosolů a plynů v atmosféře k radiační síle Země. Toto je obrázek 8.17 zprávy pracovní skupiny 1 Firth Assessment (AR5) Mezivládního panelu pro změnu klimatu (IPCC) Všimněte si čistého chladicího účinku síranů.

Aerosoly ve spreji na moře

Přestože množství a složení aerosolových částic v mořské atmosféře pochází jak z kontinentálních, tak z oceánských zdrojů a lze je přepravovat na velké vzdálenosti, čerstvě emitované aerosoly z mořského spreje (SSA) představují jeden z hlavních zdrojů primárních aerosolů, zejména ze středně silných a silných větry. Odhadovaná celosvětová emise čistých aerosolů z mořské soli je řádově 2 000–10 000 Tg ročně. Mechanismus, kterým k tomu dochází, začíná generováním vzduchových bublin v lámajících se vlnách, které pak stoupají do atmosféry a rozbíjejí se na stovky ultrajemných kapiček o průměru 0,1 až 1,0 μm. Aerosoly stříkající do moře jsou většinou složeny z anorganických solí, jako je sodík a chlorid. Tyto bubliny však někdy nesou organický materiál nacházející se v mořské vodě a vytvářejí sekundární organické sloučeniny (SOA), jako je dimethylsulfid (DMS). Tato sloučenina hraje klíčovou roli v projektu NAAMES.

Důležitým biogeochemickým důsledkem SSA je jejich role jader kondenzace v oblacích . Jedná se o částice, které poskytují povrchy nezbytné pro kondenzaci vodní páry za podmínek přesycení. Zmrazení organické hmoty v těchto aerosolech podporuje tvorbu mraků v teplejších a sušších prostředích, než kde by se jinak vytvářely, zejména ve vysokých zeměpisných šířkách, jako je severní Atlantský oceán. Organická hmota v těchto aerosolech pomáhá nukleaci kapiček vody v těchto oblastech, ale stále zůstává mnoho neznámých, například jaká frakce obsahuje organické materiály zmrazující led a z jakých biologických zdrojů. Úloha květů fytoplanktonu jako zdroje vylepšených částic nukleace ledu byla však potvrzena v laboratorních experimentech, což naznačuje důležitou roli těchto aerosolů při radiačním působení mraků. Primární mořské aerosoly vytvořené emisemi praskajícími bubliny byly měřeny v severním Atlantiku na jaře 2008 Mezinárodním chemickým experimentem v arktické spodní troposféře (ICEALOT). Tato výzkumná plavba měřila čisté oblasti nebo pozadí a zjistila, že jsou většinou složeny z primárních mořských aerosolů obsahujících funkční skupiny hydroxylové (58% ± 13) a alkenové (21% ± 9), což ukazuje na význam chemických sloučenin ve vzduchu s biologický původ. Malý časový rozsah těchto měření a neschopnost určit přesný zdroj těchto částic však odůvodňují vědeckou potřebu lepšího porozumění aerosolům v této oblasti.

Bioaerosoly

Bioaerosoly jsou částice složené ze živých a neživých složek uvolňovaných z pozemských a mořských ekosystémů do atmosféry. Mohou to být lesy, pastviny, zemědělské plodiny nebo dokonce mořští prvovýrobci, jako je fytoplankton. Částice primárního biologického aerosolu (PBAP) obsahují řadu biologických materiálů, včetně bakterií, archea, řas a hub, a bylo odhadnuto, že tvoří až 25% celosvětové celkové hmotnosti aerosolu. K rozptýlení těchto PBAP dochází přímou emisí do atmosféry prostřednictvím spor hub, pylu, virů a biologických fragmentů. Okolní koncentrace a velikosti těchto částic se liší podle umístění a sezónnosti, ale pro NAAMES jsou relevantní přechodné velikosti spór hub (průměr 0,05 až 0,15 μm) a pro bakterie větší velikosti (0,1 až 4 μm). Mořské organické aerosoly (OA) byly odhadnuty prostřednictvím jejich korelace s chlorofylovými pigmenty, jejichž velikost se pohybuje mezi 2-100 Tg za rok. Nedávné studie OA však korelují s produkcí DMS a v menší míře s chlorofylem, což naznačuje, že organický materiál v aerosolech mořské soli je spojen s biologickou aktivitou na povrchu moře. Mechanismy přispívající k mořským organickým aerosolům tedy zůstávají nejasné a byly hlavním zaměřením NAAMES.

Existují určité důkazy, že mořské bioaerosoly obsahující sinice a mikrořasy mohou být škodlivé pro lidské zdraví. Fytoplankton může absorbovat a akumulovat různé toxické látky, jako je methylrtuti , polychlorované bifenyly (PCB) a polycyklické aromatické uhlovodíky . O sinicích je známo, že produkují toxiny, které lze aerosolovat, což při vdechnutí lidmi může ovlivnit nervový a jaterní systém. Například Caller a kol. (2009) navrhli, že bioaerosly z květů sinic by mohly hrát roli ve vysokých incidencích amyotrofické laterální sklerózy (ALS) . Některé sinice v rodech Microcystis , Synechococcus a Anabaena navíc produkují skupinu toxických sloučenin nazývaných mikrocystiny . Tyto mikrocystiny byly nalezeny v aerosolech řadou vyšetřovatelů a tyto aerosoly byly zapříčiněny tím, že způsobovaly ojedinělé případy zápalu plic , gastroenteritidy a nealkoholického tukového onemocnění jater . Dinoflagellates jsou také myšlenka být zapojený do toxicitě bioaerosol s rodu Ostreopsis způsobuje symptomy, jako je dušnost , horečka, rýmy a kašle. Důležité je, že mořské toxické aerosoly byly nalezeny až 4 km ve vnitrozemí, ale vyšetřovatelé doporučují další studie, které sledují osud bioaerosolů dále ve vnitrozemí.

Houby kmen Ascomycota byly chápány jako hlavní přispěvatelé (72% v relativním poměru k jiné phyle) k mořským bioaerosolům, přinejmenším v jižním oceánu. Z nich Agaricomycetes tvoří většinu (95%) tříd hub uvnitř tohoto kmene. V této skupině je rod Penicillium nejčastěji detekován v aerosolech mořských hub. Houbové bioaerosoly mohou také sloužit jako jádra ledu, a proto také ovlivňují radiační rozpočet v odlehlých oceánských oblastech, jako je severní Atlantský oceán.

Kromě aerosolů stříkajících z moře (viz část výše) jsou biogenní aerosoly produkované fytoplanktonem také důležitým zdrojem malých (typicky 0,2 μm) částic jader kondenzace v oblacích (CCN) suspendovaných v atmosféře. Mezivládní panel pro změny klimatu (IPCC), předpokládané zvýšení globálních teplot povrchu oceánu 1,3 až 2,8 stupňů Celsia během příštího století, což bude mít za prostorové a sezónní posuny v Severní Atlantik šíření rostlinného planktonu. Změny v dynamice komunity výrazně ovlivní bioaerosoly dostupné pro jádra kondenzace v oblacích. Tvorba mraků v severním Atlantiku je proto citlivá na dostupnost bioaerosolu, velikost částic a chemické složení.

Mořské bioaerosoly a globální radiační bilance

Mořské aerosoly významně přispívají ke globálním aerosolům. Biogeochemické cyklování a klimatické modelování se tradičně zaměřují na aerosoly mořské soli, přičemž menší pozornost je věnována biogenně odvozeným aerosolovým částicím, jako jsou sírany a příbuzné chemické druhy emitované z fytoplanktonu. Například ve východním severním Atlantiku během květu jara 2002 byla vysoká aktivita fytoplanktonu poznamenána více organickým uhlíkem (rozpustné i nerozpustné druhy) než mořskými solemi. Organická frakce z fytoplanktonu přispěla až 63% hmoty aerosolu v atmosféře, zatímco v zimních obdobích s nízkou biologickou aktivitou představovala pouze 15% hmotnosti aerosolu. Tato data poskytla rané empirické důkazy o těchto emisních jevech a zároveň ukázala, že organická hmota z oceánské bioty může zvýšit koncentrace kapiček mraků až o 100%.

Výložníky fytoplanktonu jsou důležitými zdroji biogenních aerosolů, které poskytují zárodečná kondenzační jádra

Data pro testování hypotézy CLAW

Stále více důkazů popisuje, jak oceánský fytoplankton ovlivňuje albedo mraků a klima prostřednictvím biogeochemického cyklu síry , jak bylo původně navrženo na konci 80. let minulého století. Tyto DRÁP hypotéz konceptualizuje a snaží se kvantifikovat mechanismus, kterým může fytoplanktonu mění globální oblačnost a poskytují planetární měřítku radiační bilance nebo regulaci homeostázy . Jak sluneční záření pohání primární produkci v horních vrstvách oceánu, aerosoly se uvolňují do mezní vrstvy planety . Procento těchto aerosolů je asimilováno do mraků, které pak mohou odrážením slunečního záření vytvářet negativní zpětnou vazbu. Hypotéza květových cyklů fytoplanktonu založená na ekosystémech (zkoumaná NAAMES) naznačuje, že oteplování oceánu by vedlo ke snížení produktivity fytoplanktonu. Snížený fytoplankton by způsobil snížení dostupnosti aerosolu, což může vést k menšímu množství mraků. Výsledkem by byla pozitivní zpětná vazba, kde teplejší oceány vedou k menšímu množství mraků, což umožňuje větší oteplování.

Jednou z klíčových součástí hypotézy CLAW je emise dimethylsulfoniopropionátu (DMSP) fytoplanktonem. Další chemická sloučenina, dimethylsulfid (DMS), byla identifikována jako hlavní těkavá sloučenina síry ve většině oceánů. Koncentrace DMS ve světové mořské vodě byly odhadnuty v průměru na řádově 102,4 nanogramů na litr (ng/L). Regionální hodnoty severního Atlantiku jsou zhruba 66,8 ng/l. Tyto regionální hodnoty se sezónně liší a jsou ovlivněny účinky kontinentálních aerosolů. DMS je nicméně jedním z dominantních zdrojů biogenních těkavých sloučenin síry v mořské atmosféře. Od svého konceptualizace několik výzkumných studií našlo empirické a nepřímé důkazy podporující hypotézu CLAW ve středních zeměpisných šířkách Atlantského oceánu. Kampaň NAAMES se snažila poskytnout empirické porozumění účinkům mořských bioaerosolů na tvorbu mraků a globální radiační rovnováhu kvantifikací mechanismů, které jsou základem hypotézy CLAW.

Emise z mikrovrstvy hladiny moře

Fytoplankton a bakterie uvolňují rozpuštěné organické sloučeniny obsahující zbytky polysacharidů , bílkovin , lipidů a dalších biologických složek. Jsou koncentrovány do nanorozměrných gelů na povrchu oceánů. Konkrétně se takové sloučeniny koncentrují v mikrovrstvě na povrchu moře (SML), nejvyšším filmu vody v oceánu. SML je považován za „kůži“ v horním 1 milimetru vody, kde dochází k výměně hmoty a energie mezi mořem a atmosférou. Zde probíhající biologické, chemické a fyzikální procesy mohou být jedny z nejdůležitějších kdekoli na Zemi a tato tenká vrstva zažívá první expozici klimatickým změnám, jako je teplo, stopové plyny, vítr, srážky, a také odpadům, jako jsou nanomateriály a plasty. SML má také důležitou roli při výměně plynu vzduch-moře a výrobě primárních organických aerosolů.

Studie využívající vzorky vody a okolní podmínky ze severního Atlantského oceánu zjistila, že exopolymer a protein obsahující polysacharidy se snadno aerosolizují v povrchových vodách oceánu a vědcům se podařilo kvantifikovat množství a velikost rozlišení primárního transportu mezi mořem a vzduchem. biogenní materiál. Tyto materiály jsou dostatečně malé (0,2 μm), aby mohly být z velké části emitovány z fytoplanktonu a dalších mikroorganismů. Předpověď množství aerosolu, distribuce velikosti a složení prostřednictvím vzorků vody je však v současné době problematická. Vyšetřovatelé naznačují, že budoucí měření se zaměří na srovnání technik detekce fluorescence, které jsou schopné detekovat proteiny v aerosolech. NAAMES vyplnili tuto mezeru ve výzkumu poskytnutím fluorescenčního přístroje (viz část Atmosférické nástroje níže), a to jak ve vzduchovém sloupci, tak v blízkosti mořského povrchu.

NAAMES Cíle

Identifikujte různé rysy ročního cyklu kvetení fytoplanktonu v severním Atlantiku a určete různé fyzikální procesy ovlivňující tyto vlastnosti.

K dosažení tohoto cíle byla použita kombinace měření na lodi, ve vzduchu a na dálku. NAAMES provedlo několik kampaní, které proběhly v různých fázích cyklu, aby zachytily důležité přechodné rysy ročního květu a vytvořily komplexní pohled.

Pochopte, jak různé vlastnosti severoatlantického ročního cyklu fytoplanktonu interagují, aby „připravily půdu“ pro roční květy.

Tento cíl se snaží sladit konkurenční hypotézy založené na zdrojích a ekosystémech. Cílem NAAMES bylo poskytnout mechanistické terénní studie nezbytné k pochopení holističtějšího pohledu na roční cyklus květu.

Zjistěte, jak různé vlastnosti ročního cyklu fytoplanktonu ovlivňují mořské aerosoly a tvorbu mraků.

Účinky aerosolů na mraky jsou podceňovaným tématem navzdory velkým důsledkům, které by mohly mít pro předpověď budoucí změny klimatu. Tento cíl tuto mezeru vyřešil pomocí kombinovaných metod měření k pochopení příspěvku různých aerosolů k tvorbě mraků produkovaných během každé hlavní fáze ročního cyklu fytoplanktonu.

Metodologie

Polní kampaně

Schéma různých strategií odběru vzorků pro výzkumné kampaně NAAMES, včetně satelitních senzorů, měření a nasazení plavidel a dálkového průzkumu letadel. Rovněž zobrazuje klíčové procesy, jako jsou výkyvy fytoplanktonu a emise a disperze aerosolu.

Byly provedeny čtyři terénní kampaně zaměřené na čtyři konkrétní změny během ročního cyklu planktonu. Čtyři terénní kampaně NAAMES synchronizovaly sběr dat z lodi, vzduchu a satelitů a byly strategicky načasovány tak, aby zachytily čtyři jedinečné fáze kvetení planktonu v severním Atlantiku: zimní přechod, akumulační fáze, přechod k vyvrcholení a fáze vyčerpání.

Kampaň 1: Vzorkování zimního přechodu dokončeno 5. listopadu-2. prosince 2015

Kampaň 2: Vzorkování Climax Transition dokončeno 11. května-5. června 2016

Kampaň 3: Odběr vzorků klesající fáze dokončen 30. srpna-24. září 2017

Kampaň 4: Odběr vzorků fáze akumulace dokončen 20. března-13. dubna 2018

Oblast studia pro NAAMES zobrazující trasy výzkumných plavidel a rozmístění autonomních profilovacích plováků. Obrázek s laskavým svolením NASA.

Vzorkování

Výzkumné plavby na R/V Atlantis

Přístroje na lodi měřily plyny, částice a těkavé organické sloučeniny nad hladinou oceánu. Byly také odebrány vzorky vody k popisu složení komunity planktonu, rychlosti produktivity a dýchání a fyziologického stresu.

Všechny čtyři kampaně sledovaly podobnou loď a letový plán. R / V Atlantis odchýlila od Woods Hole, Massachusetts , se pustit do 26-denní plavba pokrývající 4700 námořních mil. Loď nejprve plula na 40 W. Poté se přesunula přímo na sever ze 40 na 55 zeměpisných šířek podél rovnoběžky o délce 40 W. Tento intenzivní jiho-severní transekt zahrnoval několik stacionárních měření. Loď se poté vrátila do přístavu ve Woods Hole. ^{${\ displaystyle \ circ}$}^{${\ displaystyle \ circ}$}^{${\ displaystyle \ circ}$}^{${\ displaystyle \ circ}$}

Probíhaly odběry vzorků (tj. Když se loď pohybovala) po celou dobu plavby pomocí systému průtokové analýzy mořské vody. Poté, co dosáhla začátku oblasti trojúhelníkového transektu, se loď zastavovala dvakrát denně za úsvitu a v poledne kvůli stacionárním měřením za účelem odběru vzorků vody pro inkubaci (např. Dýchání) a provedení vzorkování ve vodním sloupci a optických měření.

Vědci také použili autonomní plováky ARGO na třech místech během každé plavby. Tyto autonomní plovoucí nástroje měřily parametry, jako je chlorofyl (míra hojnosti fytoplanktonu), intenzita světla, teplota, hustota vody a suspendované částice. Během čtyř plaveb bylo nasazeno celkem 12 autonomních nástrojů.

Odběr vzorků ve vzduchu

Měření na bázi letadel byla navržena tak, aby probíhala přesně ve stejnou dobu jako plavba výzkumného plavidla, aby vědci mohli propojit procesy na úrovni oceánů s těmi ve spodní atmosféře. Satelitní data byla také syntetizována, aby se dosáhlo úplnějšího pochopení dynamiky planktonu a aerosolu a jejich potenciálního dopadu na klima a ekosystémy.

Letecký odběr zahrnoval C-130 vybavený citlivými vědeckými přístroji. Letová posádka se sídlem v St. John's v Kanadě prováděla 10hodinové lety v „Z-vzoru“ nad studovanou oblastí. Lety probíhaly ve vysokých i nízkých nadmořských výškách za účelem měření výšek aerosolu a prostorových vlastností aerosolu/ekosystému. Lety ve vysokých nadmořských výškách shromáždily údaje o nad mrakových aerosolech a atmosférická měření pozadí aerosolů v troposféře. Jakmile se letoun dostal nad loď, prošel spirálovitým sestupem do nízké výšky, aby získal údaje o svislé struktuře aerosolů. Tyto lety v malé výšce vzorkovaly aerosoly v hraniční vrstvě moře. Odběr vzorků v cloudu měřil počet, hustotu a velikost kapiček v oblacích.

Satelitní pozorování

Satelitní měření byla použita téměř v reálném čase, aby pomohla řídit pohyb lodi a plánování letů. Měření zahrnovala výšku hladiny moře, teplotu povrchu moře, barvu oceánu, větry a mraky. Satelitní data také poskytovala průměrné povrchové koncentrace chlorofylu pomocí spektroradiometru NASA Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) jako proxy pro primární produktivitu.

Autonomní plováky ARGO

Ke shromažďování fyzikálních vlastností a biooptických měření byly nasazeny autonomní přístroje na místě zvané plováky Argo . Plováky Argo jsou bateriemi poháněný nástroj, který pomocí hydrauliky ovládá svůj vztlak k sestupu a výstupu ve vodě. Plováky Argo shromažďují biologické i fyzikální vlastnosti oceánu. Data shromážděná z plováků jsou přenášena na dálku prostřednictvím satelitu ARGOS .

Atmosférické nástroje

Přístroje používané k charakterizaci procesů v atmosféře lze rozdělit na ty, které měří složení plynu, a ty, které měří složení optických vlastností. Přístroje pro odběr vzorků aerosolu jsou obecně rozděleny do kategorií podle jejich schopnosti měřit optické, fyzikální nebo chemické vlastnosti. Fyzikální vlastnosti zahrnují parametry, jako je průměr a tvar částic.

Dva běžně měřené optické parametry jsou absorpce a rozptyl světla částicemi aerosolu. Koeficienty absorpce a rozptylu závisí na množství aerosolu.

Autonomní plováky ARGOS shromažďují měření vodivosti, teploty a hloubky (CTD). Upravuje svou hydrauliku tak, aby stoupala a klesala ve vodě.

Celkový rozptyl světla aerosolovými částicemi lze měřit nefelometrem. Naproti tomu absorpci aerosolového světla lze měřit pomocí několika typů nástrojů, jako je například částicový sací/absorpční fotometr (PSAP) a kontinuální světelný absorpční fotometr (CLAP). V obou těchto nástrojích jsou částice shromažďovány na filtru a přenos světla filtrem je nepřetržitě monitorován. Tato metoda je založena na technice integrujících desek, ve které změna optického přenosu filtru způsobená depozicí částic souvisí s koeficientem absorpce světla nanesených částic pomocí Beer-Lambertova zákona.

Jedním z nástrojů používaných k charakterizaci množství a složení bioaerosolů byly širokopásmové integrované snímače bioaerosolu (WIBS). Tento přístroj používá fluorescenci indukovanou ultrafialovým světlem (UV-LIF) k detekci fluorescenčních signálů z běžných aminokyselin, jako je tryptofan a nikotinamidadenin dinukleotid (NADH). Lampa blikající plynový xenon je schopna detekovat velikost a tvar částic pomocí vysoce přesných ultrafialových vlnových pásem (280 nm a 370 nm).

Vědecká zjištění

Výsledek

Některé výsledky vyplývající z výzkumu NAAMES zahrnují vědecké články o aerosolech a zárodečných kondenzačních jádrech, ročních cyklech fytoplanktonu, fyziologii fytoplanktonu a biologii mezoskálů. Byly také publikovány publikace o vylepšených metodikách, včetně nových algoritmů dálkového průzkumu Země a pokroku v satelitním dálkovém průzkumu.

Roční cykly fytoplanktonu

Sezónní změny v biomase fytoplanktonu jsou řízeny interakcemi predátor-kořist a změnami v podmínkách smíšené vrstvy, jako je teplota, světlo a živiny. Pochopení relativní důležitosti těchto různých faktorů v různých fázích sezónního cyklu umožňuje lepší předpovědi budoucích změn oceánů. Jedna publikace společnosti NAAMES zjistila, že hloubka zimní smíšené vrstvy je pozitivně korelována s jarními koncentracemi chlorofylu v Labradorském moři . Ztráty potopením v zimě byly kompenzovány čistým růstem fytoplanktonu a tento čistý zimní růst byl pravděpodobně funkcí snížené pastvy v důsledku ředění.

Fyziologie fytoplanktonu

Pochopení taxonomických rozdílů ve fotoaklimatii a obecných strategiích fotoaklimatizace komunity fytoplanktonu je důležité pro konstrukci modelů, které se spoléhají na světlo jako hlavní faktor řídící dynamiku květu. Kromě toho může lepší porozumění fyziologii řízené světlem fytoplanktonu pomoci s lepším čtením satelitních dat o koncentracích chlorofylu a teplotě povrchu moře. Studie z NAAMES určí odezvy photoacclimation vícenásobných taxonomických skupin během 4-denní bouře akce na která způsobila hluboké promísení a opětovné vrstvení v subarctic Atlantického oceánu. Během bouřky došlo k významným rozdílům ve fotoaklimaci a akumulaci biomasy v různých hloubkách intenzity světla.

Mezoskálová biologie

Jeden z nejnovějších výsledků kampaně NAAMES zahrnuje lepší pochopení toho, jak biologie pomáhá vtáhnout atmosférický oxid uhličitý dolů do vodního sloupce. Konkrétně byl poprvé parametrizován a modelován dopad vertikální migrace zooplanktonu na export uhlíku do hlubin prostřednictvím biologické pumpy .

Aerosoly a zárodečná kondenzační jádra

Ilustrace zdrojů aerosolů nalezených během plavby NAAMES

V kampani NAAMES byl v severním Atlantiku objeven jasný sezónní rozdíl v množství biogenních síranových aerosolů. Tyto aerosoly byly vystopovány ke dvěma různým biogenním původům, oba mořským kvůli nedostatku vlivů kontinentální vzduchové hmoty během studijního období. Biogenním původem byla produkce dimethylsulfidu (DMS) fytoplanktonem, který pak působí jako zárodečná kondenzační jádra (CCN) a ovlivňuje tvorbu mraků. Tato studie klasifikovala sírany jako "nový síran", vytvořený nukleací v atmosféře; a „Added Sulfate“, což byly existující aerosoly v atmosféře, kde byl začleněn síran. Během plavby v listopadu 2015 (kampaň 1) byla hlavním mechanismem (55%) rozpočtu CCN primární mořská sůl. Během jarního květu v květnu až červnu 2016 (kampaň 2) však přidaný sulfát představoval 32% CCN, zatímco mořská sůl 4%. Tato empirická měření podle sezónnosti pomohou zlepšit přesnost klimatických modelů, které simulují oteplovací nebo chladicí účinky mořských bioaerosolů.

Vylepšené metodiky měření

Vědci NAAMES během projektu vyvinuli několik nových měřicích technik. Například třídění průtokové cytometrie kombinované s bioluminiscenční detekcí ATP a NADH poskytuje relativně přesné stanovení čisté primární produktivity fytoplanktonu, rychlosti růstu a biomasy. Laboratorní i polní testy tento přístup validovaly, což nevyžaduje tradiční inkubační techniky izotopů uhlíku-14. Jiní vyšetřovatelé NAAMES použili nové techniky k měření distribuce velikosti částic , což je důležitá metrika biogeochemie a dynamiky ekosystému. Spojením ponorného třídiče částic laserové difrakce s kontinuálně proudícím systémem mořské vody byli vědci schopni přesně měřit distribuci velikosti částic stejně dobře jako zavedenější (ale časově a namáhavější ) metody, jako je Coulterův čítač a průtokový cytobot. Kromě nových oceánografických technik vyvinul tým NAAMES také novou metodu shromažďování oblačné vody. Sonda namontovaná v letadle používala setrvačnou separaci ke shromažďování kapiček mraků z atmosféry. Bylo popsáno, že jejich axiální cyklonová technika shromažďuje oblačnou vodu rychlostí 4,5 ml za minutu, která byla uložena a později analyzována v laboratoři.

Nové algoritmy dálkového průzkumu Země

Pokroky v algoritmech dálkového průzkumu byly vyvinuty také během expedic NAAMES. Zhang a kol. za předpokladu, atmosférické korekce pro hyperspektrální geostacionární pobřežní a znečištění ovzduší nástroje airborne simulator (GCAS) s využitím jak zástupný a cloud stínové přístupy. Jiní vědci testovali nové přístupy k měření velikosti kapiček mraků a zjistili, že použití výzkumného skenovacího polarimetru dobře korelovalo s přímým měřením kapek sondy mraků a vysokým spektrálním rozlišením LIDAR. Jejich zjištění naznačují, že polarimetrické získávání velikosti kapek může být přesným a užitečným nástrojem pro měření globální velikosti kapek v oblacích.

Pokroky v satelitním dálkovém průzkumu oceánů LIDAR

Tým NAAMES dosáhl pokroku v používání LIDAR v oceánografii. Například Behrenfeld a kol. (2017) ukázali, že vesmírně orientovaný LIDAR dokáže zachytit roční cykly dynamiky fytoplanktonu v oblastech, které směřují na 45 zeměpisných šířek. Pomocí těchto nových technik zjistili, že biomasa antarktického fytoplanktonu se mění hlavně díky ledové pokrývce, zatímco v arktické oblasti jsou změny ve fytoplanktonu poháněny hlavně ekologickými procesy. V jiném článku tým popsal nové pokroky v družicových technikách LIDAR a tvrdil, že nová éra vesmírného LIDARu má potenciál způsobit revoluci v oceánografickém dálkovém průzkumu. ^{${\ displaystyle \ circ}$}

Důsledky do budoucna

NAAMES poskytl průkopnická data o aerosolech a jejich vztahu k četným ekosystémům a oceánografickým parametrům. Jejich objevy a metodologické inovace mohou modeláři využít k určení, jak by budoucí změny oceánského ekosystému mohly ovlivnit klima.

NAAMES Data

Dokončené verze terénních dat lze zobrazit prostřednictvím distribuovaných aktivních archivačních center NASA (DAAC). Data pro každou plavební kampaň byla uložena jako samostatné projekty a informace o každé kampani byly veřejně zveřejněny do 1 roku od sběru měření. Informace o lodích lze prohlížet prostřednictvím systému SeaWiFS Bio-Optical Archive and Storage System (SeaBASS), zatímco informace ve vzduchu lze prohlížet prostřednictvím datového centra Atmospheric Science Data Center (ASDC).

NAAMES očekává, že v příštích letech bude vydáno mnoho dalších publikací z pokračujícího výzkumu a zpracování dat.

Languages

In other projects