Badanie aerozoli i ekosystemów morskich na Północnym Atlantyku — North Atlantic Aerosols and Marine Ecosystems Study

Logo projektu Północnoatlantyckiego badania aerozoli i ekosystemów morskich (NAAMES). Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA.

Badanie North Atlantic Aerosols and Marine Ecosystems Study ( NAAMES ) było pięcioletnim programem badań naukowych, w ramach którego badano aspekty dynamiki fitoplanktonu w ekosystemach oceanicznych oraz sposób, w jaki ta dynamika wpływa na aerozole atmosferyczne , chmury i klimat. Badania koncentrowały się na subarktycznym regionie Północnego Oceanu Atlantyckiego, który jest miejscem jednego z największych powtarzających się zakwitów fitoplanktonu na Ziemi. Długa historia badań w tej lokalizacji, a także względna łatwość dostępu, sprawiły, że Północny Atlantyk jest idealnym miejscem do testowania dominujących hipotez naukowych w celu lepszego zrozumienia roli emisji aerozolu fitoplanktonu na budżet energetyczny Ziemi.

Projekt NAAMES był prowadzony przez naukowców z Oregon State University oraz Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA). Przeprowadzili cztery kampanie terenowe w latach 2015-2018, które miały na celu ukierunkowanie na określone fazy rocznego cyklu fitoplanktonu: minimum, punkt kulminacyjny, pośrednie zmniejszenie biomasy i zwiększenie biomasy pośredniej. Kampanie zostały zaprojektowane tak, aby obserwować każdą wyjątkową fazę, aby rozwiązać naukowe debaty na temat czasu formowania się zakwitów i wzorców napędzających coroczne odtworzenie zakwitów. W ramach projektu NAAMES zbadano również ilość, rozmiar i skład aerozoli wytwarzanych podczas produkcji pierwotnej , aby zrozumieć, w jaki sposób cykle kwitnienia wpływają na formowanie się chmur i klimat. Naukowcy zastosowali wiele uzupełniających metod badawczych, w tym intensywne próbkowanie w terenie za pomocą statków badawczych, próbkowanie aerozolu z powietrza za pomocą samolotu oraz teledetekcję za pomocą satelitów.

Odkrycia projektu NAAMES, choć wciąż nadchodzące, rzuciły światło na aerozole i jądra kondensacji chmur, roczne cykle fitoplanktonu, fizjologię fitoplanktonu i biologię mezoskalową. Opublikowano również szereg postępów metodologicznych, w tym nowe algorytmy teledetekcji i postępy w teledetekcji satelitarnej.

Tło

Konkurencyjne hipotezy dotyczące zakwitów planktonu

Konkurencyjna hipoteza naukowa o zmienności planktonu. Postać dostosowana od. Dzięki uprzejmości NASA.gov

Uczestnicy projektu NAAMES starali się lepiej zrozumieć wpływ emisji bioaerozolu na dynamikę chmur i klimat. Celem było również przetestowanie dwóch konkurencyjnych hipotez dotyczących zakwitów planktonu:

Hipoteza krytycznej głębokości — spojrzenie oparte na zasobach

Krytyczna głębokość hipoteza jest widok Północnoatlantyckiego zakwitów fitoplanktonu roczny zasób oparte. Jest to tradycyjne wyjaśnienie przyczyny wiosennych zakwitów i zostało udokumentowane jako podstawowa koncepcja w podręcznikach oceanografii od ponad 50 lat. Koncentruje się na warunkach środowiskowych niezbędnych do zainicjowania kwitnienia, takich jak wysoka zawartość składników odżywczych, płytsze mieszanie, zwiększone światło i wyższe temperatury.

Głównym argumentem na rzecz hipotezy głębokości krytycznej jest to, że zakwity są konsekwencją zwiększonego tempa wzrostu fitoplanktonu wynikającego z zalegania warstwy mieszanej powyżej głębokości krytycznej. Krytyczna głębokość to głębokość mieszania powierzchnia gdzie fitoplankton biomasa wzrost równa straty biomasy fitoplanktonu. W tej hipotezie straty są zarówno stałe, jak i niezależne od wzrostu. Spadek biomasy może być spowodowany wypasem , opadaniem, rozcieńczeniem, mieszaniem pionowym, infekcją lub pasożytnictwem . Kiedy mieszana warstwa powierzchniowa staje się płytsza niż głębokość krytyczna, inicjacja sezonowego zakwitu następuje z powodu wzrostu fitoplanktonu przekraczającego straty. Istnieje korelacja wzrostu fitoplanktonu z wiosennym wzrostem światła, temperatury i płytszymi głębokościami stratyfikacji.

Ocieplenie klimatu może zwiększyć stratyfikację lub zmniejszyć głębokość warstw mieszanych w okresie zimowym, co może wzmocnić wiosenny zakwit fitoplanktonu lub zwiększyć biomasę fitoplanktonu, jeśli ta hipoteza rządzi dynamiką wiosennego zakwitu fitoplanktonu. Główną krytyką tego opartego na zasobach poglądu jest to, że wiosenne zakwity występują przy braku stratyfikacji lub płycizn w warstwie mieszanej.

Hipoteza rozrzedzania – spojrzenie oparte na ekosystemie

Hipoteza polegająca na łączeniu się z rozcieńczeniem to oparty na ekosystemie obraz rocznego zakwitu fitoplanktonu na Północnym Atlantyku. Ta hipoteza koncentruje się na procesach fizycznych, które zmieniają równowagę między wzrostem a wypasem. Zakwit wiosenny jest uważany za jedną z cech cyklu rocznego, a inne cechy podczas cyklu „ustanawiają scenę” dla tego zakwitu.

Ten ekosystemowy pogląd opiera się na eksperymencie rozcieńczania, w którym dodatek wody morskiej osłabia drapieżniki, ale nie zmienia wzrostu fitoplanktonu. Tak więc tempo wzrostu wzrasta wraz z rozcieńczeniem. Chociaż efekt rozcieńczenia jest przejściowy, interakcje drapieżnik-ofiara można utrzymać, jeśli szybkość dodawania wody jest równa szybkości wzrostu. Pogłębienie powierzchniowej warstwy mieszanej osłabia interakcje drapieżnik-ofiara oraz oddziela wzrost i wypas. Kiedy warstwa mieszana przestaje się pogłębiać, wzrost tempa wzrostu staje się widoczny, ale teraz wzrost i wypas ponownie łączą się. Zaleganie warstwy mieszanej skupia drapieżniki, zwiększając tym samym presję na wypas. Jednak wzrost dostępności światła przeciwdziała presji wypasu, co pozwala na utrzymanie wysokiego tempa wzrostu. Późną wiosną, kiedy warstwa mieszana jest jeszcze płytsza, ubytek składników odżywczych lub nadmierny wypas kończy kwitnienie – w tym momencie cyklu straty przekraczają wzrost.

Ocieplenie klimatu zwiększyłoby stratyfikację i zahamowałoby mieszanie zimowe, które ma miejsce wraz z pogłębianiem się warstwy mieszanej. W ramach tej hipotezy zahamowanie mieszania się w okresie zimowym zmniejszyłoby biomasę fitoplanktonu.

Fizyczne procesy oceanograficzne

Debata o mieszanej głębokości warstw

Zawirowania w skali mezo

Wiry antycykloniczne obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a wiry cykloniczne w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Procesy Downwelling i Upwelling na otwartym oceanie prowadzą do powstania ciepłego rdzenia w wirach antycyklonicznych i zimnego rdzenia w wirach cyklonicznych.

Wiry mezoskalowe odgrywają znaczącą rolę w modulowaniu głębokości warstwy mieszanej (MLD). Fluktuacje wytworzone przez wiry mezoskalowe modulują składniki odżywcze w podstawie mieszanej warstwy. Te modulacje, wraz z dostępnością światła, napędzają obfitość fitoplanktonu w regionie. Dostępność fitoplanktonu znacząco wpływa na morską sieć pokarmową i zdrowie oceanów.

Szybko płynące prądy w Golfsztromie meandrują i ściskają, tworząc wiry. Wiry te zachowują właściwości fizyczne macierzystej masy wody (np. temperaturę, gęstość, zasolenie i inne właściwości dynamiczne oceanu), gdy się rozdzielają. Gdy wiry migrują, ich właściwości fizyczne zmieniają się, gdy mieszają się z otaczającą wodą. W Prądu Zatokowym wiry migrujące są znane jako wiry antycyklonowe lub cykloniczne w zależności od kierunku, w którym się obracają (zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara). Oba wiry różnią się ruchem, właściwościami fizycznymi, a co za tym idzie, wpływem na biologię i chemię oceanu.

Siła Coriolisa w połączeniu z prądami o dużej prędkości napędzają ruch wirowy. Ten ruch tworzy „wybrzuszenie”, tj. dużą wysokość powierzchni morza (SSH) w centrum wirów antycyklonowych. W przeciwieństwie do tego, wiry cyklonowe wykazują niski poziom SSH w centrum. SSH zarówno w przypadku antycyklonu, jak i cyklonu odpowiednio zmniejsza się i rośnie wraz ze wzrostem odległości od środka. Procesy upwellingu i downwellingu w wirach tworzą zimny i ciepły rdzeń. Zagłębienie w wirze antycyklonowym zapobiega przedostawaniu się zimnej wody na powierzchnię, tworząc w ten sposób ciepły rdzeń w środku . Natomiast w wirach cyklonowych upwelling porywa głęboką zimną wodę i tworzy zimny rdzeń.

Poprzednie badania wykazały pogłębiający się wpływ MLD pod wirami antycyklonowymi i zaleganie MLD pod wirami cyklonowymi. Zjawiska te mogą wynikać ze zwiększonej utraty ciepła do atmosfery w wirach antycyklonowych. Ta utrata ciepła powoduje zapadanie się gęstej wody, zwane mieszaniem konwekcyjnymoraz pogłębienie MLD. W przeciwieństwie do tego, w wirach cyklonowych temperatura wody w rdzeniu jest mniej zimna niż w wirach antycyklonowych. Nie prowadzi to zatem do pogłębienia MLD. Badania prowadzone w regionie za pośrednictwem sieci Argo Floats oraz symulacje modelowe stworzone na podstawie danych satelitarnych wykazały przypadki odwrotnych zjawisk. Pogłębianie i gromadzenie się MLD przez wiry jest wszechobecne i zmienia się sezonowo. Takie anomalie są najbardziej znaczące zimą. W związku z tym rola wirów w skali mezo w MLD jest złożona i jest funkcją jednoczesnych procesów, w których zwiększone prądy indukowane uskokiem wiatru przyczyniają się do spłycenia MLD w wirach antycyklonowych.

Istotne procesy atmosferyczne

Morska warstwa graniczna

Morska warstwa graniczna (MBL) to część atmosfery, która ma bezpośredni kontakt z powierzchnią oceanu. Na MBL wpływa wymiana ciepła, wilgoci, gazów, cząstek stałych i pędu, głównie poprzez turbulencje. MBL charakteryzuje się tworzeniem komórek konwekcyjnych (lub pionowego przepływu powietrza) nad powierzchnią oceanu, co zaburza kierunek średniego wiatru powierzchniowego i generuje teksturę, szorstkość i fale na powierzchni morza. Istnieją dwa rodzaje warstw granicznych. Jedna z nich to stabilna, konwekcyjna warstwa znajdująca się między niższymi 100 m atmosfery, sięgająca około 3 km wysokości i jest określana jako konwekcyjna warstwa graniczna (CBL). Druga warstwa graniczna powstaje w wyniku inwersji powierzchniowej atmosfery . Zwykle dzieje się to bliżej powierzchni przy braku turbulencji i mieszania pionowego i jest określane przez interpretację pionowych profili wilgotności i temperatury. MBL jest często zjawiskiem zlokalizowanym i czasowo dynamicznym, a zatem jego wysokość w słupie powietrza może się znacznie różnić w zależności od regionu, a nawet w ciągu kilku dni. Północny Atlantyk to region, w którym powszechnie tworzą się zróżnicowane i dobrze uformowane chmury MBL, a wysokość warstwy MBL może wynosić od 2,0 do 0,1 km

Regionalne procesy atmosferyczne

W środkowych szerokościach geograficznych (od 35 do 65 stopni szerokości geograficznej) przeważają wiatry zachodnie , które wieją w regionach na północ lub na południe od wysokociśnieniowych regionów podzwrotnikowych świata. W związku z tym aerozole pobrane nad Północnym Atlantykiem będą pod wpływem mas powietrza pochodzącego z Ameryki Północnej, a zatem będą charakteryzować się zarówno naturalnymi wpływami lądowymi, jak i antropogenicznymi. Istotne dla NAAMES są emisje z przemysłu i środowisk miejskich we wschodniej Ameryce Północnej, które emitują znaczne ilości siarczanów, sadzy i związków aromatycznych. Takie substancje mogą być transportowane setkami kilometrów nad morzem. Ten wkład wpływów kontynentalnych może powodować fałszywie dodatni sygnał w mierzonych biologicznych sygnałach fluorescencyjnych i może wpływać na właściwości mikrofizyczne chmur na otwartym Północnym Oceanie Atlantyckim. Ponadto aerozole, takie jak czarny węgiel zmieszany z dwutlenkiem węgla i innymi gazami cieplarnianymi, są emitowane w wyniku bezstronnego spalania paliw kopalnych z silników statków. Te niespalone węglowodory są obecne w morskiej warstwie granicznej Północnego Atlantyku i większości innych odległych regionów oceanicznych. Ponieważ cząstki te starzeją się lub ulegają przemianom chemicznym w zależności od czasu w powietrzu, mogą zmieniać właściwości mikrofizyczne i chemiczne, ponieważ reagują z innymi cząstkami unoszącymi się w powietrzu.

Rola aerozoli

Rozkład wielkości aerozoli i związane z nimi sposoby akumulacji lub usuwania z atmosfery. Oryginalny schemat autorstwa i dostosowany przez.

Aerozole

Aerozole to bardzo małe cząstki stałe lub kropelki cieczy zawieszone w atmosferze lub w innym gazie i powstają w wyniku procesów naturalnych lub działań człowieka. Aerozole naturalne obejmują popiół wulkaniczny, cząstki biologiczne i pył mineralny, a także czarny węgiel z naturalnego spalania biomasy, na przykład pożarów. Aerozole antropogeniczne to takie, które zostały wyemitowane w wyniku działań człowieka, takich jak spalanie paliw kopalnych lub emisje przemysłowe. Aerozole są klasyfikowane jako pierwotne lub wtórne w zależności od tego, czy zostały bezpośrednio wyemitowane do atmosfery (pierwotne), czy też przereagowały i zmieniły skład (wtórne) po wyemitowaniu ze swojego źródła. Aerozole emitowane ze środowiska morskiego są jednym z największych składników pierwotnych aerozoli naturalnych. Pierwotne aerozole morskie oddziałują z zanieczyszczeniami antropogenicznymi, a poprzez te reakcje wytwarzają inne aerozole wtórne.

Przedstawienie bezpośredniego i pierwszego pośredniego wpływu aerozoli na albedo chmur, a tym samym równowagę radiacyjną Ziemi.

Jednym z najważniejszych, ale niepewnych elementów modeli predykcyjnych zmian klimatu jest wpływ aerozoli na system klimatyczny. Aerozole wpływają bezpośrednio i pośrednio na bilans promieniowania Ziemi. Bezpośredni efekt występuje, gdy cząstki aerozolu rozpraszają się, pochłaniają lub wykazują połączenie tych dwóch właściwości optycznych podczas interakcji z wchodzącym do atmosfery promieniowaniem słonecznym i podczerwonym. Aerozole, które zazwyczaj rozpraszają światło, obejmują siarczany, azotany i niektóre cząstki organiczne, podczas gdy te, które wykazują tendencję do wykazywania absorpcji netto, obejmują pył mineralny i sadzę (lub sadzę). Drugi mechanizm, za pomocą którego aerozole zmieniają temperaturę planety, nazywa się efektem pośrednim, który występuje, gdy zmieniają się właściwości mikrofizyczne chmury, powodując albo wzrost odbicia nadchodzącego promieniowania słonecznego, albo zahamowanie zdolności chmur do wytwarzania opadów. Pierwszym efektem pośrednim jest wzrost ilości kropel wody, co prowadzi do wzrostu chmur, które odbijają więcej promieniowania słonecznego, a tym samym chłodzą powierzchnię planety. Drugim efektem pośrednim (zwanym również efektem życia chmury) jest wzrost liczby kropel, który jednocześnie powoduje wzrost wielkości kropel, a tym samym mniejszy potencjał opadów. Oznacza to, że mniejsze kropelki oznaczają, że chmury żyją dłużej i zachowują wyższą zawartość wody w stanie ciekłym, co wiąże się z niższymi wskaźnikami opadów i wyższym albedo chmur . Podkreśla to znaczenie wielkości aerozolu jako jednego z głównych wyznaczników ilości aerozolu w atmosferze, sposobu usuwania aerozoli z atmosfery oraz implikacji tych procesów w klimacie . Drobne cząstki to zazwyczaj te o średnicy poniżej 2 mikrometrów (μm). W tej kategorii zakres cząstek gromadzących się w atmosferze (ze względu na niską lotność lub wzrost kondensacji jąder) wynosi od 0,1-1 μm i są one zwykle usuwane z powietrza przez osadzanie na mokro . Mokrą depozycją mogą być opady, śnieg lub grad. Z drugiej strony, gruboziarniste cząstki, takie jak stary spray morski i cząstki pochodzenia roślinnego, są usuwane z atmosfery przez osadzanie na sucho . Proces ten jest czasami nazywany również sedymentacją. Jednak różne rodzaje biogenicznych aerozoli organicznych wykazują różne właściwości mikrofizyczne, dlatego mechanizmy ich usuwania z powietrza będą zależne od wilgotności. Bez lepszego zrozumienia rozmiarów i składu aerozoli w Północnym Oceanie Atlantyckim modele klimatyczne mają ograniczone możliwości przewidywania wielkości efektu chłodzenia aerozoli w klimacie globalnym.

Udział aerozoli i gazów w atmosferze w wymuszeniach radiacyjnych Ziemi. To jest Rysunek 8.17 raportu Grupy Roboczej 1 Firth Assessment (AR5) opracowanego przez Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC). Należy zwrócić uwagę na efekt chłodzenia netto siarczanów.

Aerozole w sprayu morskim

Chociaż ilość i skład cząstek aerozolu w atmosferze morskiej pochodzi zarówno ze źródeł kontynentalnych, jak i oceanicznych i może być transportowany na duże odległości, to świeżo emitowane aerozole morskie (SSA) stanowią jedno z głównych źródeł aerozoli pierwotnych, zwłaszcza z umiarkowanych i silnych wiatry. Szacunkowa globalna emisja aerozoli z czystej soli morskiej jest rzędu 2 000-10 000 Tg rocznie. Mechanizm, dzięki któremu tak się dzieje, zaczyna się od generowania pęcherzyków powietrza w załamujących się falach, które następnie unoszą się do atmosfery i rozpryskują na setki bardzo drobnych kropelek o średnicy od 0,1 do 1,0 μm. Aerozole morskie składają się głównie z soli nieorganicznych, takich jak sód i chlorek. Jednak te pęcherzyki czasami zawierają materiał organiczny znajdujący się w wodzie morskiej, tworząc wtórne związki organiczne (SOA), takie jak siarczek dimetylu (DMS). Związek ten odgrywa kluczową rolę w projekcie NAAMES.

Ważną biogeochemiczną konsekwencją SSA jest ich rola jako jąder kondensacji chmur . Są to cząstki, które zapewniają powierzchnie niezbędne do kondensacji pary wodnej poniżej warunków przesycenia. Zamrażanie materii organicznej w tych aerozolach sprzyja tworzeniu się chmur w cieplejszych i suchszych środowiskach niż te, w których by się one nie tworzyły, zwłaszcza na dużych szerokościach geograficznych, takich jak Północny Ocean Atlantycki. Materia organiczna w tych aerozolach pomaga zarodkować kropelki wody w tych regionach, jednak pozostaje wiele niewiadomych, takich jak frakcja zawierająca zamarzające materiały organiczne i jakie źródła biologiczne. Niemniej jednak rola zakwitów fitoplanktonu jako źródła wzmożonych cząstek zarodkowania lodu została potwierdzona w eksperymentach laboratoryjnych, co wskazuje na ważną rolę tych aerozoli w wymuszaniu promieniowania chmur. Pierwotne aerozole morskie powstałe w wyniku pękania pęcherzyków zostały zmierzone na Północnym Atlantyku wiosną 2008 r. w ramach Międzynarodowego Eksperymentu Chemicznego w Dolnej Troposferze Arktyki (ICEALOT). Podczas tego rejsu badawczego zmierzono obszary czyste lub tła i stwierdzono, że składają się one głównie z pierwotnych aerozoli morskich zawierających grupy funkcyjne hydroksylowe (58% ±13) i alkenowe (21% ±9), co wskazuje na znaczenie związków chemicznych w powietrzu z pochodzenie biologiczne. Niemniej jednak mała skala czasowa tych pomiarów oraz niemożność określenia dokładnego źródła tych cząstek uzasadnia naukową potrzebę lepszego zrozumienia aerozoli w tym regionie.

Bioaerozole

Bioaerozole to cząstki składające się z żywych i nieożywionych składników uwalnianych do atmosfery z ekosystemów lądowych i morskich. Mogą to być lasy, użytki zielone, uprawy rolne, a nawet pierwotni producenci morscy, tacy jak fitoplankton. Pierwotne biologiczne cząstki aerozolu (PBAP) zawierają szereg materiałów biologicznych, w tym bakterie, archeony, glony i grzyby, i szacuje się, że stanowią aż 25% całkowitej masy aerozolu na świecie. Rozproszenie tych PBAP następuje poprzez bezpośrednią emisję do atmosfery przez zarodniki grzybów, pyłki, wirusy i fragmenty biologiczne. Stężenia i rozmiary tych cząstek w otoczeniu różnią się w zależności od lokalizacji i sezonowości, ale istotne dla NAAMES są przejściowe rozmiary zarodników grzybów (o średnicy 0,05 do 0,15 μm) i większe (0,1 do 4 μm) dla bakterii. Oszacowano, że morskie aerozole organiczne (OA) na podstawie ich korelacji z pigmentami chlorofilowymi różnią się wielkością od 2 do 100 Tg rocznie. Jednak ostatnie badania nad OA są skorelowane z produkcją DMS i, w mniejszym stopniu, chlorofilu, co sugeruje, że materiał organiczny w aerozolach soli morskiej jest powiązany z biologiczną aktywnością powierzchni morza. Mechanizmy przyczyniające się do powstawania morskich aerozoli organicznych pozostają zatem niejasne i były głównym przedmiotem zainteresowania projektu NAAMES.

Istnieją dowody na to, że bioaerozole morskie zawierające cyjanobakterie i mikroalgi mogą być szkodliwe dla zdrowia ludzkiego. Fitoplankton może absorbować i akumulować różne substancje toksyczne, takie jak metylortęć , polichlorowane bifenyle (PCB) i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne . Wiadomo, że sinice wytwarzają toksyny, które mogą być aerozolowane, a wdychane przez ludzi mogą wpływać na układ nerwowy i wątrobowy. Na przykład Caller i in. (2009) zasugerowali, że bioaerozle z zakwitów sinic mogą odgrywać rolę w wysokich częstościach występowania stwardnienia zanikowego bocznego (ALS) . Ponadto niektóre cyjanobakterie z rodzajów Microcystis , Synechococcus i Anabaena wytwarzają grupę toksycznych związków zwanych mikrocystynami . Te mikrocystyny zostały znalezione w aerozolach przez wielu badaczy, a aerozole te sugerowano, że powodują pojedyncze przypadki zapalenia płuc , zapalenia żołądka i jelit oraz niealkoholowej stłuszczeniowej choroby wątroby . Uważa się również, że bruzdnice są zaangażowane w toksyczność bioaerozolu, przy czym rodzaj Ostreopsis powoduje objawy, takie jak duszność , gorączka, wyciek z nosa i kaszel. Co ważne, toksyczne aerozole morskie wykryto aż do 4 km w głąb lądu, ale badacze zalecają dodatkowe badania, które śledzą los bioaerozoli w głębi lądu.

Gatunek grzybów Ascomycota jest uważany za główny czynnik (72% w stosunku do innych typów) do bioaerozoli morskich, przynajmniej w Oceanie Południowym. Spośród nich Agaricomycetes stanowią większość (95%) klas grzybów wewnątrz tej gromady. W tej grupie w aerozolach grzybów morskich najczęściej wykrywany jest rodzaj Penicillium . Bioaerozole grzybów mogą również służyć jako jądra lodu, a zatem również wpływać na budżet radiacyjny w odległych regionach oceanicznych, takich jak Północny Ocean Atlantycki.

Oprócz aerozoli morskich (patrz sekcja powyżej), aerozole biogenne wytwarzane przez fitoplankton są również ważnym źródłem małych (zwykle 0,2 μm) jąder kondensacji chmur (CCN) zawieszonych w atmosferze. Międzyrządowy Zespół do spraw Zmian Klimatu (IPCC), prognozowany wzrost globalnej temperatury powierzchni oceanu przez 1,3 do 2,8 stopni Celsjusza w ciągu następnego stulecia, co spowoduje zmiany przestrzenne i sezonowe w North Atlantic zakwitów fitoplanktonu. Zmiany w dynamice społeczności w znacznym stopniu wpłyną na bioaerozole dostępne dla jąder kondensacji chmur. Dlatego formowanie się chmur na Północnym Atlantyku jest wrażliwe na dostępność bioaerozolu, wielkość cząstek i skład chemiczny.

Bioaerozole morskie i globalny bilans promieniowania

Aerozole morskie znacząco przyczyniają się do powstawania aerozoli globalnych. Tradycyjnie cykle biogeochemiczne i modelowanie klimatu skupiały się na aerozolach soli morskiej, z mniejszą uwagą na cząstki aerozoli pochodzenia biologicznego, takie jak siarczany i pokrewne związki chemiczne emitowane z fitoplanktonu. Na przykład we wschodnim Atlantyku Północnym podczas kwitnienia wiosną 2002 r. wysoką aktywność fitoplanktonu cechował bardziej węgiel organiczny (zarówno gatunki rozpuszczalne, jak i nierozpuszczalne) niż sole morskie. Frakcja organiczna z fitoplanktonu stanowiła aż 63% masy aerozolu w atmosferze, podczas gdy w zimowych okresach niskiej aktywności biologicznej tylko 15% masy aerozolu. Dane te dostarczyły wczesnych dowodów empirycznych tego zjawiska emisji, pokazując jednocześnie, że materia organiczna z bioty oceanicznej może zwiększyć koncentrację kropel chmur nawet o 100%.

Wysięgniki fitoplanktonu są ważnym źródłem aerozoli biogennych, które zapewniają jądra kondensacji chmur

Dane do przetestowania hipotezy CLAW

Istnieje coraz więcej dowodów opisujących, w jaki sposób fitoplankton oceaniczny wpływa na albedo chmur i klimat poprzez biogeochemiczny cykl siarki , jak pierwotnie zaproponowano pod koniec lat 80. XX wieku. Te hipotezy CLAW conceptualizes i stara się określić ilościowo mechanizmów, dzięki którym fitoplankton może zmieniają globalnego zachmurzenia i zapewniają planetarną skalę bilansu promieniowania lub regulację homeostazy . Ponieważ promieniowanie słoneczne napędza produkcję pierwotną w górnych warstwach oceanu, aerozole są uwalniane do planetarnej warstwy granicznej . Procent tych aerozoli jest asymilowany w chmurach, które następnie mogą generować pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego poprzez odbijanie promieniowania słonecznego. Hipoteza cykli kwitnienia fitoplanktonu oparta na ekosystemie (zbadana przez NAAMES) sugeruje, że ocieplenie oceanu doprowadziłoby do zmniejszenia produktywności fitoplanktonu. Zmniejszony fitoplankton spowodowałby zmniejszenie dostępności aerozolu, co może prowadzić do mniejszej liczby chmur. Spowodowałoby to dodatnią pętlę sprzężenia zwrotnego, w której cieplejsze oceany prowadzą do mniejszej liczby chmur, co pozwala na większe ocieplenie.

Jednym z kluczowych elementów hipotezy CLAW jest emisja dimetylosulfoniopropionianu (DMSP) przez fitoplankton. Inny związek chemiczny, siarczek dimetylu (DMS), został zidentyfikowany jako główny lotny związek siarki w większości oceanów. Oszacowano, że stężenie DMS w światowej wodzie morskiej wynosi średnio około 102,4 nanograma na litr (ng/l). Regionalne wartości Północnego Atlantyku wynoszą około 66,8 ng/L. Te wartości regionalne zmieniają się sezonowo i są pod wpływem aerozoli kontynentalnych. Niemniej jednak DMS jest jednym z dominujących źródeł biogennych lotnych związków siarki w atmosferze morskiej. Od czasu jej konceptualizacji kilka badań naukowych znalazło dowody empiryczne i poszlakowe potwierdzające hipotezę CLAW na średnich szerokościach geograficznych Oceanu Atlantyckiego. Kampania NAAMES miała na celu zapewnienie empirycznego zrozumienia wpływu bioaerozoli morskich na tworzenie się chmur i globalną równowagę promieniowania poprzez ilościowe określenie mechanizmów leżących u podstaw hipotezy CLAW.

Emisje z mikrowarstwy powierzchni morza

Rozpuszczone związki organiczne zawierające resztki polisacharydów , białek , lipidów i innych składników biologicznych są uwalniane przez fitoplankton i bakterie. Są one skoncentrowane w żelach o rozmiarach nano na powierzchni oceanów. W szczególności takie związki są skoncentrowane w mikrowarstwie powierzchni morza (SML), najwyższej warstwie wody w oceanie. SML jest uważany za „skórę” w górnym 1 milimetrze wody, gdzie następuje wymiana materii i energii między morzem a atmosferą. Zachodzące tu procesy biologiczne, chemiczne i fizyczne mogą być jednymi z najważniejszych na Ziemi, a ta cienka warstwa jest po raz pierwszy narażona na zmiany klimatyczne, takie jak ciepło, gazy śladowe, wiatry, opady, a także odpady, takie jak nanomateriały i tworzywa sztuczne. SML odgrywa również ważną rolę w wymianie gazowej powietrze-morze i produkcji pierwotnych aerozoli organicznych.

Badanie z wykorzystaniem próbek wody i warunków otoczenia z Północnego Oceanu Atlantyckiego wykazało, że egzopolimer zawierający polisacharydy i białko łatwo ulegają aerozolowaniu w powierzchniowych wodach oceanicznych, a naukowcy byli w stanie określić ilościowo wielkość i rozdzielczość transportu pierwotnego morza do powietrza materiał biogenny. Materiały te są wystarczająco małe (0,2 μm), aby mogły być w dużej mierze emitowane przez fitoplankton i inne mikroorganizmy. Jednak przewidywanie ilości aerozolu, rozkładu wielkości i składu za pomocą próbek wody jest obecnie problematyczne. Badacze sugerują, że przyszłe pomiary skupiają się na porównaniu technik wykrywania fluorescencji, które są w stanie wykryć białka w aerozolach. Projekt NAAMES wypełnił tę lukę badawczą, dostarczając instrument oparty na fluorescencji (patrz rozdział dotyczący instrumentów atmosferycznych poniżej), zarówno w kolumnie powietrza, jak iw pobliżu powierzchni morza.

Cele NAAMES

Zidentyfikuj różne cechy rocznego cyklu zakwitów fitoplanktonu na Północnym Atlantyku i określ różne procesy fizyczne wpływające na te cechy.

Aby osiągnąć ten cel, zastosowano kombinację pomiarów na statkach, w powietrzu i teledetekcji. W ramach projektu NAAMES przeprowadzono wiele kampanii, które miały miejsce w różnych fazach cyklu, aby uchwycić ważne przejściowe cechy rocznego rozkwitu w celu uzyskania wszechstronnego obrazu.

Dowiedz się, jak różne cechy rocznego cyklu fitoplanktonu na Północnym Atlantyku oddziałują na siebie, aby „ustanowić grunt” dla rocznych zakwitów.

Cel ten ma na celu pogodzenie konkurencyjnych hipotez opartych na zasobach i ekosystemach. Celem projektu NAAMES było dostarczenie mechanistycznych badań terenowych niezbędnych do zrozumienia bardziej holistycznego obrazu rocznego cyklu kwitnienia.

Określ, jak różne cechy rocznego cyklu fitoplanktonu wpływają na aerozole morskie i tworzenie się chmur.

Wpływ aerozoli na chmury jest tematem niedostatecznie zbadanym, pomimo poważnych implikacji, jakie może to mieć dla przewidywania przyszłych zmian klimatu. Cel ten rozwiązał tę lukę za pomocą połączonych metod pomiarowych, aby zrozumieć wkład różnych aerozoli w tworzenie chmur powstających podczas każdej głównej fazy rocznego cyklu fitoplanktonu.

Metodologia

Kampanie terenowe

Schemat różnych strategii pobierania próbek dla kampanii badawczych NAAMES, w tym czujników satelitarnych, pomiarów i rozmieszczenia statków oraz teledetekcji samolotów. Przedstawia również kluczowe procesy, takie jak wyładowania fitoplanktonu oraz emisja i dyspersja aerozolu.

Przeprowadzono cztery kampanie terenowe w celu ukierunkowania czterech konkretnych zmian podczas rocznego cyklu planktonu. Cztery kampanie terenowe NAAMES zsynchronizowały gromadzenie danych ze statku, powietrza i satelitów oraz zostały strategicznie zsynchronizowane w celu uchwycenia czterech unikalnych faz kwitnienia planktonu na Północnym Atlantyku: przejścia zimowego, fazy akumulacji, przejścia szczytowego i fazy wyczerpania.

Kampania 1: Próbkowanie Zimowej Przemiany zakończone 5 listopada 2 grudnia 2015 r.

Kampania 2: Próbkowanie Climax Transition zakończone 11 maja-5 czerwca 2016 r.

Kampania 3: Pobieranie próbek w fazie spadku zakończone 30 sierpnia – 24 września 2017 r.

Kampania 4: Próbkowanie fazy akumulacji zakończone 20 marca – 13 kwietnia 2018 r.

Obszar badań NAAMES przedstawiający trasy statków badawczych i rozmieszczenie autonomicznych pływaków profilujących. Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA.

Próbowanie

Rejsy badawcze na R/V Atlantis

Przyrządy na statkach mierzyły gazy, cząstki i lotne związki organiczne nad powierzchnią oceanu. Pobrano również próbki wody, aby opisać skład społeczności planktonu, tempo produktywności i oddychania oraz stres fizjologiczny.

Wszystkie cztery kampanie miały podobny plan statku i lotu. R / V Atlantis odszedł z Woods Hole, Massachusetts , aby rozpocząć rejsy 26-dniowych obejmujących 4700 mil morskich. Statek najpierw popłynął do 40 W. Następnie przesunął się na północ z 40 N do 55 N szerokości geograficznej wzdłuż równoleżnika 40 W. Ten intensywny transekt południowo-północny obejmował wiele pomiarów stacjonarnych. Następnie statek wrócił do portu w Woods Hole. ^$\circ$^$\circ$^$\circ$^$\circ$

Pobieranie próbek w trakcie rejsu (tj. podczas ruchu statku) odbywało się podczas całego rejsu za pomocą systemu analizy przepływowej wody morskiej. Następnie, po dotarciu do początku trójkątnego obszaru transektu, statek zatrzymywał się dwa razy dziennie o świcie iw południe na stacjonarne pomiary w celu pobrania próbek wody do inkubacji (np. oddychania), wykonania próbkowania słupów wody i pomiarów optycznych.

Podczas każdego rejsu naukowcy korzystali również z autonomicznych pływaków ARGO w trzech miejscach. Te autonomiczne pływające przyrządy mierzyły takie parametry, jak chlorofil (miara obfitości fitoplanktonu), natężenie światła, temperatura, gęstość wody i zawieszone cząstki stałe. Podczas czterech rejsów wykorzystano w sumie 12 przyrządów autonomicznych.

Pobieranie próbek z powietrza

Pomiary z samolotu zaprojektowano tak, aby przebiegały dokładnie w tym samym czasie, w którym odbywa się rejs statku badawczego, aby naukowcy mogli powiązać procesy na poziomie oceanu z procesami w niższej atmosferze. Zsyntetyzowano również dane satelitarne, aby uzyskać pełniejsze zrozumienie dynamiki planktonu i aerozolu oraz ich potencjalnego wpływu na klimat i ekosystemy.

Próbki z powietrza obejmowały C-130 wyposażony w czułe instrumenty naukowe. Załoga lotnicza z St. John's w Kanadzie wykonywała 10-godzinne loty w układzie „Z” nad badanym obszarem. Loty odbywały się zarówno na dużych, jak i niskich wysokościach, aby zmierzyć wysokość aerozolu i cechy przestrzenne aerozolu/ekosystemu. Loty na dużych wysokościach zgromadziły dane na temat aerozoli nad chmurami i pomiarów atmosferycznych aerozoli tła w troposferze. Nad statkiem samolot wykonywał spiralne zjazdy na małą wysokość, aby zebrać dane o pionowej strukturze aerozoli. Podczas tych lotów na małych wysokościach pobierano próbki aerozoli w morskiej warstwie granicznej. Próbkowanie w chmurze mierzyło liczbę kropel w chmurze, gęstość i pomiary wielkości.

Obserwacje satelitarne

Wykorzystano pomiary satelitarne w czasie zbliżonym do rzeczywistego, aby pomóc w kierowaniu ruchem statku i planowaniem lotu. Pomiary obejmowały wysokość powierzchni morza, temperaturę powierzchni morza, kolor oceanu, wiatry i chmury. Dane satelitarne dostarczyły również średnie stężenia chlorofilu na powierzchni za pomocą spektroradiometru obrazowania średniej rozdzielczości (MODIS) NASA , jako wskaźnik wydajności pierwotnej.

Autonomiczne pływaki ARGO

W celu zebrania właściwości fizycznych i pomiarów biooptycznych zastosowano autonomiczne instrumenty in-situ zwane pływakami Argo . Pływaki Argo to instrument zasilany bateryjnie, który wykorzystuje hydraulikę do kontrolowania swojej pływalności podczas schodzenia i wynurzania się w wodzie. Pływaki Argo zbierają zarówno biologiczne, jak i fizyczne właściwości oceanu. Dane zebrane z pływaków są transmitowane zdalnie za pośrednictwem satelity ARGOS .

Instrumenty atmosferyczne

Przyrządy wykorzystywane do charakteryzowania procesów zachodzących w atmosferze można podzielić na mierzące skład gazu oraz mierzące skład właściwości optycznych. Ogólnie rzecz biorąc, przyrządy do pobierania próbek aerozoli są klasyfikowane według ich zdolności do pomiaru właściwości optycznych, fizycznych lub chemicznych. Właściwości fizyczne obejmują takie parametry, jak średnica i kształt cząstek.

Dwa powszechnie mierzone parametry optyczne to absorpcja i rozpraszanie światła przez cząstki aerozolu. Współczynniki absorpcji i rozpraszania zależą od ilości aerozolu.

Autonomiczne pływaki ARGOS zbierają pomiary przewodności, temperatury i głębokości (CTD). Dostosowuje swoją hydraulikę do podnoszenia i schodzenia w wodzie.

Całkowite rozpraszanie światła przez cząsteczki aerozolu można zmierzyć za pomocą nefelometru. W przeciwieństwie do tego, absorpcję światła w aerozolu można mierzyć za pomocą kilku rodzajów przyrządów, takich jak fotometr cząstek sadzy/absorpcji (PSAP) i fotometr ciągłej absorpcji światła (CLAP). W obu tych przyrządach cząstki są gromadzone na filtrze, a przepuszczanie światła przez filtr jest stale monitorowane. Metoda ta opiera się na technice płytki całkującej, w której zmiana transmisji optycznej filtra spowodowana osadzaniem się cząstek jest powiązana ze współczynnikiem pochłaniania światła osadzonych cząstek zgodnie z prawem Beera-Lamberta.

Jednym z instrumentów użytych do scharakteryzowania ilości i składu bioaerozoli był Wideband Integrated Bioaerosol Sensors (WIBS). Instrument ten wykorzystuje fluorescencję indukowaną światłem ultrafioletowym (UV-LIF) do wykrywania sygnałów fluorescencyjnych z popularnych aminokwasów, takich jak tryptofan i dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NADH). Lampa błyskająca gazowym ksenonem jest w stanie wykryć rozmiar i kształt cząstki przy użyciu bardzo precyzyjnych pasm ultrafioletowych (280 nm i 370 nm).

Ustalenia naukowe

Wyniki

Niektóre wyniki badań NAAMES obejmują artykuły naukowe na temat aerozoli i jąder kondensacji chmur, rocznych cykli fitoplanktonu, fizjologii fitoplanktonu i biologii mezoskalowej. Pojawiły się również publikacje na temat ulepszonych metodologii, w tym nowych algorytmów teledetekcji i postępów w teledetekcji satelitarnej.

Cykle roczne fitoplanktonu

Sezonowe zmiany w biomasie fitoplanktonu są kontrolowane przez interakcje drapieżnik-ofiara oraz zmiany w mieszanych warunkach warstwowych, takich jak temperatura, światło i składniki odżywcze. Zrozumienie względnego znaczenia tych różnych czynników na różnych etapach cyklu sezonowego pozwala na lepsze przewidywanie przyszłych zmian oceanicznych. W jednej z publikacji NAAMES stwierdzono, że głębokość warstwy mieszanej w okresie zimowym jest dodatnio skorelowana z wiosennymi stężeniami chlorofilu w Morzu Labradorskim . Straty spowodowane zapadaniem się w zimie były kompensowane przez wzrost netto fitoplanktonu, a ten wzrost netto w okresie zimowym był najprawdopodobniej funkcją zmniejszonego wypasu z powodu rozcieńczenia.

Fizjologia fitoplanktonu

Zrozumienie różnic taksonomicznych w fotoaklimacji i ogólnych strategiach fotoaklimatyzacji społeczności fitoplanktonu jest ważne przy konstruowaniu modeli, które opierają się na świetle jako głównym czynniku kontrolującym dynamikę kwitnienia. Co więcej, lepsze zrozumienie fizjologii fitoplanktonu zależnej od światła może pomóc w lepszych odczytach danych satelitarnych dotyczących stężenia chlorofilu i temperatury powierzchni morza. Badanie NAAMES określiło reakcje fotoaklimatyzacji wielu grup taksonomicznych podczas 4-dniowego sztormu, który spowodował głębokie mieszanie i restratyfikację w subarktycznym Oceanie Atlantyckim. Wystąpiły znaczne różnice w fotoaklimatyzacji i akumulacji biomasy na różnych głębokościach natężenia światła podczas burzy.

Biologia mezoskalowa

Jednym z najnowszych wyników kampanii NAAMES jest lepsze zrozumienie, w jaki sposób biologia pomaga wciągać atmosferyczny dwutlenek węgla do słupa wody. W szczególności po raz pierwszy sparametryzowano i zamodelowano wpływ migracji pionowej zooplanktonu na eksport węgla do głębin morskich za pośrednictwem pompy biologicznej .

Aerozole i jądra kondensacji chmur

Ilustracja źródeł aerozoli znalezionych podczas rejsów NAAMES

W wyniku kampanii NAAMES na Północnym Atlantyku odkryto wyraźną sezonową różnicę w ilości biogenicznych aerozoli siarczanowych. Aerozole te wywodzą się z dwóch różnych źródeł biogenicznych, z których oba pochodzą z morza, ze względu na brak wpływów kontynentalnej masy powietrza w okresie badań. Biogennym źródłem była produkcja siarczku dimetylu (DMS) przez fitoplankton, który następnie działa jak jądra kondensacji chmur (CCN) i wpływa na tworzenie się chmur. W badaniu tym sklasyfikowano siarczany jako „nowy siarczan”, powstały w wyniku zarodkowania w atmosferze; oraz „Added Sulfate”, które były aerozolami istniejącymi w atmosferze, w których wprowadzono siarczan. Podczas rejsu w listopadzie 2015 r. (kampania 1), głównym mechanizmem (55%) dla budżetu CCN była sól morska. Jednak podczas wiosennego rozkwitu w maju-czerwcu 2016 r. (Kampania 2) Dodane siarczany stanowiły 32% CCN, podczas gdy sól morska stanowiła 4%. Te empiryczne pomiary według sezonowości pomogą poprawić dokładność modeli klimatycznych symulujących ocieplenie lub ochłodzenie bioaerozoli morskich.

Ulepszone metodologie pomiaru

W trakcie projektu naukowcy z projektu NAAMES opracowali kilka nowatorskich technik pomiarowych. Na przykład sortowanie cytometrią przepływową w połączeniu z bioluminescencyjną detekcją ATP i NADH zapewnia stosunkowo precyzyjne określenie pierwotnej produktywności netto fitoplanktonu, tempa wzrostu i biomasy. Testy laboratoryjne i terenowe potwierdziły to podejście, które nie wymaga tradycyjnych technik inkubacji izotopu węgla-14. Inni badacze z projektu NAAMES zastosowali nowe techniki do pomiaru rozkładu wielkości cząstek , co jest ważnym wskaźnikiem biogeochemii i dynamiki ekosystemu. Dzięki połączeniu podwodnego miernika wielkości cząstek z dyfrakcją laserową z systemem stale przepływającej wody morskiej, naukowcy byli w stanie dokładnie zmierzyć rozkład wielkości cząstek tak samo dobrze, jak bardziej znane (ale bardziej czasochłonne i pracochłonne) metody, takie jak licznik Coultera i cytobot przepływowy. Oprócz nowych technik oceanograficznych zespół NAAMES opracował również nowatorską metodę zbierania wody w chmurach. Zamontowana w samolocie sonda wykorzystywała separację bezwładnościową do zbierania kropel chmur z atmosfery. Doniesiono, że ich technika cyklonu osiowego zbiera wodę z chmury z szybkością 4,5 ml na minutę, która jest przechowywana i później analizowana w laboratorium.

Nowe algorytmy teledetekcji

Podczas ekspedycji NAAMES opracowano również postępy w algorytmach teledetekcji. Zhang i in. dostarczył korekty atmosferyczne dla hiperspektralnego geostacjonarnego symulatora zdarzeń zanieczyszczenia wybrzeża i powietrza (GCAS) wykorzystującego zarówno podejście zastępcze, jak i cienie chmur. Inni naukowcy przetestowali nowe podejścia do pomiaru wielkości kropli chmur i odkryli, że przy użyciu badawczego polarymetru skanującego dobrze korelowały z bezpośrednimi pomiarami sondy kropli chmur i LIDARem o wysokiej rozdzielczości spektralnej. Ich odkrycia sugerują, że polarymetryczne pobieranie wielkości kropli może być dokładnym i użytecznym narzędziem do pomiaru globalnego rozmiaru kropli chmury.

Postępy w satelitarnej teledetekcji oceanicznej LIDAR

Zespół NAAMES poczynił postępy w wykorzystaniu LIDAR w oceanografii. Na przykład Behrenfeld i in. (2017) wykazali, że LIDAR w przestrzeni kosmicznej może uchwycić roczne cykle dynamiki fitoplanktonu w regionach biegunowych na 45 szerokości geograficznej. Korzystając z tych nowych technik, odkryli, że biomasa antarktycznego fitoplanktonu zmienia się głównie z powodu pokrywy lodowej, podczas gdy w Arktyce zmiany w fitoplanktonie są napędzane głównie przez procesy ekologiczne. W innym artykule zespół opisał nowe postępy w satelitarnych technikach LIDAR i argumentował, że nowa era LIDAR w przestrzeni kosmicznej może zrewolucjonizować teledetekcję oceanograficzną. ^$\circ$

Przyszłe implikacje

Projekt NAAMES dostarczył przełomowych danych na temat aerozoli i ich związku z licznymi ekosystemami i parametrami oceanograficznymi. Ich odkrycia i innowacje metodologiczne mogą zostać wykorzystane przez modelarzy do określenia, w jaki sposób przyszłe zmiany ekosystemów oceanicznych mogą wpłynąć na klimat.

Dane NAAMES

Ostateczne wersje danych terenowych można przeglądać za pośrednictwem Centrów Rozproszonych Aktywnych Archiwów NASA (DAAC). Dane dla każdej kampanii rejsowej były przechowywane jako oddzielne projekty, a informacje o każdej kampanii były publicznie udostępniane w ciągu 1 roku od zebrania pomiarów. Informacje o statkach można przeglądać za pomocą systemu archiwizacji i przechowywania biooptycznego SeaWiFS (SeaBASS), natomiast informacje z powietrza można przeglądać za pośrednictwem Atmospheric Science Data Center (ASDC).

NAAMES przewiduje, że w nadchodzących latach zostanie wydanych wiele dodatkowych publikacji w ramach trwających badań i przetwarzania danych.

Languages

In other projects