Южный океан играет важную роль в глобальном климате и углеродном цикле. Понимание экспорта углерода в этом регионе имеет решающее значение для моделирования изменения климата на Земле и оценки потенциальных климатических интервенций, основанных на использовании океана.
На просторах Южного океана невидимые магистрали углерода простираются от поверхности до океанского дна. Этот «углеродный суперхайвей» является ключевой частью климатической системы Земли, перемещая углекислый газ из атмосферы в глубины океана, где он может храниться десятилетиями или веками. Измерение скорости и пропускной способности этого «суперхайвея» и того, как они меняются, долгое время было сложной задачей для учёных, особенно в самых удалённых водах планеты.
Новое исследование под руководством постдокторанта MBARI Гюйом Ланижера в сотрудничестве с Университетом Вашингтонского кооперативного института по изучению климата, океана и экосистем (CICOES) и проектом по наблюдениям за углеродом и климатом в Южном океане (SOCCOM) проливает новый свет на продуктивность океана и экспорт углерода в Южном океане.
Объединив огромный массив данных с роботизированных поплавков с передовым машинным обучением, команда обнаружила, что способность океана поглощать атмосферный углерод ещё больше и растёт быстрее, чем считалось ранее.
Исследование, опубликованное в этом месяце в Global Biogeochemical Cycles, показывает, что годовая чистая продукция сообщества (ANCP) — показатель того, сколько углерода преобразуется в органическое вещество и экспортируется на глубину — увеличивалась почти на 1% в год в период с 2004 по 2022 год. В среднем Южный океан экспортирует 3,91 миллиарда метрических тонн углерода каждый год.
Исследование также предполагает, что традиционные методы оценки ANCP по сезонным изменениям нитратов могут занижать истинный экспорт углерода примерно на треть.
«Океан играет неотъемлемую роль в климате Земли. Эта работа — важный шаг вперёд в понимании продуктивности и углеродного цикла в Южном океане, который может помочь улучшить модели нашего меняющегося климата», — сказал Ланижер.
Южный океан, окружающий Антарктиду, играет важную роль в глобальном климате. Он занимает лишь около трети площади поверхности мирового океана, но на его долю приходится гораздо большая доля поглощения океанического углерода. Мощные ветры и течения перемешивают глубокие, богатые питательными веществами воды у поверхности, питая цветение микроскопического фитопланктона. Эти крошечные растения используют солнечный свет и нитраты для роста, поглощая углекислый газ из атмосферы в процессе.
Когда фитопланктон умирает или его потребляют, часть его богатого углеродом материала опускается на дно, унося атмосферный углерод в глубины океана. Этот биологический углеродный насос является важным регулятором климата. Но суровые погодные условия, морской лёд и удалённость делают его одной из самых сложных систем для непосредственного наблюдения.
SOCCOM, международное сотрудничество, организованное Институтом океанографии Скриппса для изучения Южного океана, является частью международной программы Biogeochemical-Argo (BGC-Argo), которая использует автономные профилирующие поплавки, оснащённые датчиками, измеряющими температуру, солёность, кислород, нитраты, pH и другие ключевые переменные. С 2014 года SOCCOM выпустила в Южный океан более 300 поплавков. Эти поплавки всплывают каждые 10 дней для передачи своих данных через спутник.
MBARI сыграл важную роль в разработке и усовершенствовании химических датчиков, которые делают эти измерения возможными. «Эти поплавки — наши глаза и уши в части океана, где судовые измерения редки», — сказал старший научный сотрудник MBARI Кен Джонсон, соавтор нового исследования. «Они дают нам круглогодичное покрытие всего бассейна, которое было невообразимо ещё десять лет назад».
Новое исследование основывалось на амбициозном шаге: обучении искусственной нейронной сети распознавать закономерности в данных о нитратах, собранных поплавками. Нитраты являются жизненно важным питательным веществом для роста фитопланктона и надёжным способом измерения ANCP.
«Мы хотели модель, которая могла бы заполнить пробелы как в пространстве, так и во времени и максимально реалистично аппроксимировать физические и биогеохимические условия Южного океана», — пояснил Ланижер. «Машинное обучение дало нам такой способ».
С помощью этих улучшенных полей нитратов исследователи пересчитали ANCP и обнаружили, что экспорт углерода в Южном океане не только значителен, но и увеличивается. Результаты согласуются со спутниковыми наблюдениями, показывающими рост концентрации поверхностного хлорофилла, и с модельными выходами, прогнозирующими более высокие экспортные потоки.
Столь же важно, что анализ выявил слепое пятно в распространённых подходах. Оценки, основанные исключительно на сезонном снижении нитратов весной и летом, не учитывали значительный экспорт за пределами этого периода, что приводило к занижению примерно на 38%. Этот вывод имеет значение для того, как учёные рассчитывают глобальные углеродные бюджеты и как они проверяют климатические модели.
Подобно MBARI, SOCCOM делает все свои данные свободно доступными, поддерживая исследования химии океана и климата во всём мире. Эта открытость продумана: Южный океан — это общий глобальный ресурс, и понимание его роли в регулировании климата требует международного сотрудничества.
«Эта работа показывает силу объединения открытых, высококачественных данных с инновационным анализом», — сказал Джонсон. «Речь идёт не только о получении более точных цифр, но и о предоставлении инструментов, необходимых политикам и менеджерам ресурсов для принятия обоснованных решений о будущем океана — и всей планеты».
По мере ускорения изменения климата пристальное наблюдение за динамикой углерода в Южном океане имеет решающее значение. Этот подход на основе машинного обучения предлагает улучшенный способ мониторинга долгосрочных тенденций и обнаружения возникающих изменений в этой критически важной системе.
В рамках текущей работы MBARI по пониманию связи океана и климата мы планируем применить аналогичные методы в других регионах и расширить диапазон переменных, прогнозируемых нейронными сетями. Используя инновационные технологии, начиная с современных исследовательских судов и заканчивая передовым ИИ, наши исследователи продолжат изучать неотъемлемую роль океана в углеродном цикле и климате Земли.
Делая невидимые потоки углеродного суперхайвея более заметными, мы надеемся углубить наше понимание климатической системы, от которой мы все зависим, и получить новые идеи, которые помогут принимать решения о борьбе с изменением климата и оценить климатические интервенции, основанные на использовании океана.
Это исследование также демонстрирует приверженность MBARI использованию наших передовых технологий и инженерного опыта для ответа на фундаментальные вопросы о полярных средах и других компонентах криосферы. Эта информация может помочь менеджерам ресурсов и политикам принимать решения о будущем этой важной экосистемы.
Предоставлено:
[Monterey Bay Aquarium Research Institute](https://phys.org/partners/monterey-bay-aquarium-research-institute/)