機(jī)器人浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)定量測量全球海洋碳循環(huán)

就像陸地上的植物一樣，海洋中微小的浮游生物通過光合作用消耗二氧化碳，并將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)物和氧氣。這種生物轉(zhuǎn)化被稱為海洋初級(jí)生產(chǎn)力。在2021年發(fā)表于《自然—地理科學(xué)》的一項(xiàng)研究中，美國蒙特里海洋生物研究所高級(jí)科學(xué)家Ken Johnson和前MBARI博士后研究員Mariana Bif演示了機(jī)器人浮標(biāo)艦隊(duì)如何在全球范圍內(nèi)改變了人們對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的理解。

通過將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，浮游植物不僅支撐著海洋食物網(wǎng)，它們還是海洋生物碳泵的第一步。這些機(jī)器人收集的數(shù)據(jù)將使科學(xué)家能夠更準(zhǔn)確地估計(jì)碳是如何從大氣流向海洋的，并為全球碳循環(huán)提供新線索。研究人員表示，浮游植物生產(chǎn)力的變化會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，比如影響海洋儲(chǔ)存碳的能力，改變海洋食物網(wǎng)。

“我們已經(jīng)知道在溫暖的海洋中，海洋浮游植物的初級(jí)產(chǎn)量將減少，但我們沒有辦法進(jìn)行全球尺度的測量來驗(yàn)證模型?！盝ohnson說，而且，海洋初級(jí)生產(chǎn)力隨氣候系統(tǒng)的變化而起伏，但初級(jí)生產(chǎn)力“可能在一些地方上升，在另一些地方下降，但我們不知道這些將如何平衡”。

由于資源和人力的限制，在全球范圍內(nèi)進(jìn)行直接觀測獲得具有季節(jié)性和年度分辨率的數(shù)據(jù)十分困難且成本高昂。相反，衛(wèi)星遙感或計(jì)算機(jī)生成的環(huán)流模型能提供所需的空間和時(shí)間分辨率?！靶l(wèi)星數(shù)據(jù)可以用來繪制初級(jí)生產(chǎn)力的全球地圖，但這些數(shù)值是基于模型而不是直接測量的?！盝ohnson警告說。

現(xiàn)在，科學(xué)家有了一種研究海洋生產(chǎn)力的新方法——在海洋中漂浮的數(shù)千個(gè)自主機(jī)器人。Bif表示，這些機(jī)器人讓科學(xué)家得以了解海洋各區(qū)域、深度和時(shí)間的初級(jí)生產(chǎn)力?！斑@項(xiàng)工作是海洋數(shù)據(jù)采集的一個(gè)重要里程碑。我們不再需要真的去那里，就可以從海洋中收集大量數(shù)據(jù)?！?/p>

隨著生物地球化學(xué)—阿爾戈（BGC-Argo）浮標(biāo)在全球的不斷部署，相關(guān)數(shù)據(jù)為研究人員提供了氧氣隨時(shí)間變化的散射測量數(shù)據(jù)。借助氧氣生成模式，Johnson和Bif可以計(jì)算出全球范圍內(nèi)的海洋凈初級(jí)生產(chǎn)力。例如，通過測量浮游植物隨時(shí)間釋放多少氧氣，研究人員可以估計(jì)它們消耗了多少二氧化碳。

Johnson表示，雖然這是一個(gè)眾所周知的模式，但這項(xiàng)工作是首次用被布放在全球海洋的工具定量測量，而不是通過建模和其他工具進(jìn)行估計(jì)。

但是，目前浮標(biāo)每10天只進(jìn)行一次采樣，研究人員需要在一天內(nèi)進(jìn)行多次測量才能得到一個(gè)每日循環(huán)。于是，Johnson和Bif用一種新方法分析了浮標(biāo)數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出海洋初級(jí)生產(chǎn)力。每個(gè)浮標(biāo)在一天的不同時(shí)間上浮，結(jié)合來自300個(gè)浮標(biāo)的數(shù)據(jù)和來自一天不同時(shí)間的樣本，研究人員就可以重現(xiàn)氧氣的每日循環(huán)，然后計(jì)算初級(jí)生產(chǎn)力。

為了確認(rèn)計(jì)算出的初級(jí)生產(chǎn)力的準(zhǔn)確性，研究人員將兩個(gè)海域的浮標(biāo)數(shù)據(jù)與基于船舶的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較——夏威夷海洋采樣點(diǎn)（HOT）和百慕大大西洋采樣點(diǎn)（BATS)，結(jié)果兩者數(shù)據(jù)相似。

Johnson和Bif發(fā)現(xiàn)浮游植物每年產(chǎn)生約53拍克碳，這一測量值接近最新計(jì)算機(jī)模型估計(jì)的每年52拍克碳。1拍克等于1012千克，大致相當(dāng)于2億頭大象的重量。

研究人員希望，這些新數(shù)據(jù)能幫助科學(xué)家通過模擬不同的情景，如溫度變暖、浮游植物生長變化、海洋酸化和營養(yǎng)物質(zhì)變化等，進(jìn)一步預(yù)測海洋初級(jí)生產(chǎn)力將如何響應(yīng)氣候變化。