SINKER — инновационный прибор, оснащённый передовыми микроскопами и камерами для сбора детальных данных об опускании углерода в составе морского снега.
Океан — крупнейший поглотитель углерода на Земле, играющий решающую роль в регулировании глобального климата. В условиях, когда последствия изменения климата становятся всё более серьёзными для морских экосистем, понимание способности океана поглощать углерод стало особенно актуальным.
Для лучшего наблюдения за биологическими процессами, контролирующими перенос углерода в глубоководную часть океана, учёные и инженеры MBARI разработали SINKER — устройство, которое может измерять, что, когда и сколько углерода опускается в глубоководную часть океана.
SINKER (экологический робот для изучения опускания углерода) оснащён передовыми камерами и микроскопами для сбора частых данных в режиме реального времени о погружении морского снега на морское дно в заливе Монтерей. Морской снег состоит в основном из биологического материала и приносит большое количество углерода в глубоководную часть океана.
«Сейчас огромное ограничение для моделей углерода и климатических моделей — это то, как мы учитываем биологию, которая контролирует опускание частиц углерода, — объяснила учёный Коллин Дёркин, возглавляющая команду MBARI по изучению углеродного потока. — Кто производит эти частицы? Как быстро они опускаются? Какого они размера? Эти детали важны, и они меняются как в короткие, так и в длительные периоды времени».
SINKER позволяет исследователям наблюдать за биологией морского снега, регистрируя тысячи снимков крошечных органических частиц, опускающихся на морское дно в течение месяцев, а затем и лет. Исследователи MBARI надеются, что этот прибор улучшит наше понимание хранения углерода в глубоководной части океана и того, как этот процесс может меняться.
Микроскопический фитопланктон поглощает углекислый газ из поверхностных вод по мере своего роста, позволяя океану поглощать огромное количество этого парникового газа. Когда более крупный планктон потребляет фитопланктон, выделяет отходы и умирает, опускающийся органический материал уносит углерод из атмосферы и отправляет его в глубины океана. Этот процесс, известный как биологический насос, фиксирует углерод в глубоководной части океана на десятилетия или даже столетия.
Несмотря на то что морской снег является неотъемлемой частью углеродного цикла, у учёных всё ещё есть много вопросов о частицах, опускающихся в глубоком океане. Химия, физика и биология контролируют перенос углерода в глубины океана, но биологические процессы являются наиболее сложными для наблюдения и реалистичного моделирования. Суровые условия и удалённость глубоководной части океана затрудняют наблюдение за морским снегом.
Исследователи из команды MBARI по изучению углеродного потока изучают роль океана в круговороте углерода. Дёркин и её команда работают над тем, чтобы понять, как океаническая биология контролирует количество углерода, попадающего в глубоководную часть океана.
Команда определила, что им нужен прибор, который мог бы фотографировать опускающиеся частицы размером от десятков микрометров до нескольких сантиметров, собирать данные с частотой до одной секунды и работать в глубоководной части океана более года. Инженеры MBARI приступили к разработке системы визуализации SINKER. Они определили лучшие камеры для использования, затем разработали раму, печатные платы и подводные корпуса. Большинство компонентов SINKER были затем изготовлены с нуля специалистами и техниками в механической мастерской MBARI.
SINKER сочетает в себе несколько систем визуализации, чтобы детально изучить биологические и физические процессы, влияющие на опускание углерода.
Когда частицы опускаются через центральную трубку для сбора, три камеры делают снимки, чтобы измерить скорость опускания частиц. После того как частицы приземляются на пластину для сбора, две камеры, направленные вверх, делают снимки, чтобы исследователи могли измерить размер, форму и состав каждой отдельной частицы. Каждые два часа щётка стирает пластину для визуализации, чтобы она не была полностью забита слишком большим количеством частиц.
«SINKER использует инструменты и технологии, которые были разработаны в MBARI за последнее десятилетие, — сказал старший инженер-электрик Пол Робертс. — Это решение представляет собой значительный технологический прорыв в измерении широкого спектра переменных, связанных с опусканием углеродных частиц».
«Измерение нескольких переменных одновременно позволяет нам собрать подробные количественные биологические наблюдения за экспортом углерода, — сказала старший научный сотрудник Крисси Хаффард. — Пять камер SINKER дают нам множество различных видов опускающихся частиц, что, как мы надеемся, поможет нам ответить на фундаментальные вопросы об улавливании углерода океаном».
Исследователи из MBARI впервые развернули SINKER в июле во время круиза на исследовательском судне Rachel Carson. Установленный на морском дне и питающийся от кабельной океанской обсерватории MBARI, SINKER непрерывно собирает данные с исследовательского участка недалеко от залива Монтерей на глубине 900 метров (примерно 3000 футов) и затем передаёт эти данные на берег, предоставляя исследователям окно в глубокий океан.
Команда планирует извлечь систему в декабре, проанализировать данные и внести необходимые коррективы в конструкцию прибора. Когда этот процесс будет завершён, они намерены развернуть SINKER снова как минимум на год, если не дольше.
«Долгосрочная цель — подключить SINKER на многие годы, чтобы мы могли понять, как изменяется углеродный поток с течением времени, как изо дня в день, так и в зависимости от сезона», — сказала Дёркин. «В какой-то момент мы надеемся, что сможем внедрить эту технологию в другие кабельные обсерватории, чтобы мы могли начать понимать экспорт углерода в различных океанских средах».
Изучение опускания углерода поможет исследователям лучше понять, как океан регулирует климат Земли, и предсказать, как изменение условий в океане повлияет на морскую жизнь и экосистемы. Данные от SINKER смогут предоставить бесценную информацию, необходимую политикам для принятия решений об океане.
Предоставлено Monterey Bay Aquarium Research Institute.