North Atlantic Aerosols and Marine Ecosystems Study - North Atlantic Aerosols and Marine Ecosystems Study

Projektlogoet for North Atlantic Aerosols and Marine Ecosystems Study (NAAMES). Billede med tilladelse fra NASA.

Den nordatlantiske Aerosoler og marine økosystemer Study ( NAAMES ) var en fem-års videnskabelig forskning program, der undersøgte aspekter af planteplankton dynamik i havets økosystemer, og hvordan en sådan dynamik påvirker atmosfæriske aerosoler , skyer og klima. Undersøgelsen fokuserede på den sub-arktiske region i det nordlige Atlanterhav, som er stedet for en af Jordens største tilbagevendende fytoplanktonblomstrer. Den lange historie med forskning på dette sted, såvel som den relative lette tilgængelighed, gjorde Nordatlanten til et ideelt sted at teste herskende videnskabelige hypoteser i et forsøg på bedre at forstå fytoplankton -aerosolemissioners rolle på Jordens energibudget.

NAAMES blev ledet af forskere fra Oregon State University og National Aeronautics and Space Administration (NASA). De gennemførte fire feltekampagner fra 2015-2018, der var designet til at målrette mod bestemte faser af den årlige planteplanktoncyklus: minimum, klimaks, mellemliggende faldende biomasse og stigende mellemliggende biomasse. Kampagnerne var designet til at observere hver unik fase for at løse de videnskabelige debatter om tidspunktet for blomstringsformationer og de mønstre, der driver den årlige gendannelse af blomster. NAAMES -projektet undersøgte også mængden, størrelsen og sammensætningen af aerosoler, der genereres af primærproduktion for at forstå, hvordan blomstringscyklusser påvirker skyformationer og klima. Forskere anvendte flere komplementære forskningsmetoder, herunder intensiv feltprøvetagning via forskningsskibe, luftbåren aerosolprøvetagning via fly og fjernmåling via satellitter.

Resultaterne fra NAAMES har, mens de stadig venter, kastet lys over aerosoler og skykondensationskerner, fytoplanktons årlige cyklusser, planteplanktonfysiologi og mesoskala biologi. Adskillige metodiske fremskridt er også blevet offentliggjort, herunder nye fjernføleralgoritmer og fremskridt inden for satellitfjernsensor.

Baggrund

Konkurrerende hypoteser om planktonblomstrer

Konkurrerende videnskabelig hypotese om planktonvariabilitet. Figur tilpasset fra. Hilsen af NASA.gov

NAAMES forsøgte bedre at forstå virkningen af bioaerosolemissioner på skyens dynamik og klima. Det havde også til formål at teste to konkurrerende hypoteser om planktonblomstrer:

Kritisk dybdehypotese - en ressourcebaseret opfattelse

Den kritiske dybdehypotese er en ressourcebaseret opfattelse af de nordatlantiske årlige fytoplanktonblomstrer. Det er den traditionelle forklaring på årsagen til forårsblomstringen og er blevet dokumenteret som et grundlæggende begreb i oceanografiske lærebøger i over 50 år. Det fokuserer på de miljømæssige forhold, der er nødvendige for at starte et flor, såsom høje næringsstoffer, lavere blanding, øget lys og varmere temperaturer.

Det centrale argument for den kritiske dybdehypotese er, at blomstringen er en konsekvens af øgede fytoplanktonvæksthastigheder som følge af shoaling af det blandede lag over den kritiske dybde. Den kritiske dybde er en overflade blanding dybde, hvor fytoplankton biomasse vækst lig fytoplanktonbiomasse tab. I denne hypotese er tab både konstante og uafhængige af vækst. Faldet i biomasse kan skyldes græsning , synkning, fortynding, lodret blanding, infektion eller parasitisme . Når det blandede lag på overfladen bliver lavere end den kritiske dybde, indledes sæsonblomstringen på grund af, at fytoplanktonvækst overstiger tab. Der er en sammenhæng mellem fytoplanktonvækst og forårstigninger af lys, temperatur og lavere stratificeringsdybder.

Klimaopvarmning kan øge stratificeringen eller reducere dybden af blandet lag i løbet af vinteren, hvilket vil forbedre forårets blomstring eller øge fytoplanktonbiomassen, hvis denne hypotese styrer forårets fytoplankton -blomsterdynamik. En primær kritik af denne ressourcebaserede opfattelse er, at forårsblomstringen forekommer i fravær af stratificering eller shoaling af det blandede lag.

Fortynding-genkobling Hypotese-et økosystembaseret syn

Fortyndingsforbindelseshypotesen er et økosystembaseret syn på det nordatlantiske årlige fytoplanktonblomst. Denne hypotese fokuserer på de fysiske processer, der ændrer balancen mellem vækst og græsning. Forårets blomst anses for at være et træk ved en årlig cyklus, og andre funktioner i løbet af cyklussen "sæt scenen" for, at denne blomst kan forekomme.

Denne økosystembaserede opfattelse er baseret på et fortyndingsforsøg, hvor tilsætning af havvand fortynder rovdyr, men ikke ændrer væksten af planteplankton. Således stiger vækstraterne med fortynding. Selv om fortyndingseffekten er forbigående, kan interaktioner mellem rovdyr og bytte opretholdes, hvis hastigheden for tilsætning af vand er lig med væksthastigheden. Uddybningen af det overfladeblandede lag fortynder rovdyr-bytte-interaktionerne og afkobler vækst og græsning. Når det blandede lag holder op med at uddybe, bliver stigningen i vækstraten tydelig, men nu kobles vækst og græsning igen. Shoaling af det blandede lag koncentrerer rovdyr og øger derved græsningstrykket. Stigningen i tilgængeligheden af lys modvirker imidlertid græsningstryk, hvilket tillader vækstrater at forblive høje. I slutningen af foråret, når det blandede lag er endnu mere lavt, slutter udtømning af næringsstoffer eller overdrev at blomstre - tab overstiger væksten på dette tidspunkt i cyklussen.

Klimaopvarmning vil øge lagdeling og undertrykke vinterblanding, der opstår med uddybningen af det blandede lag. Undertrykkelsen af vinterblanding ville reducere fytoplanktonbiomasse under denne hypotese.

Fysiske oceanografiske processer

Debat om blandet dybde

Meso-skala Eddies

De anticykloniske hvirvler roterer med uret, og de cykloniske hvirvler roterer mod uret. Downwelling og Upwelling processer i det åbne hav fører til en varm kerne i anticykloniske hvirvler og en kold kerne i cykloniske hvirvler.

Mesoskala -virvler spiller en væsentlig rolle ved modulering af blandet lagdybde (MLD). Svingninger skabt af mesoskala hvirvler modulerer næringsstoffer i bunden af det blandede lag. Disse moduleringer, sammen med tilgængeligheden af lys, driver overflod af fytoplankton i regionen. Tilgængeligheden af fytoplankton påvirker betydeligt det marine fødevæv og havets sundhed.

De hurtigt bevægende strømme i Golfstrømmen slynger sig og klemmer af for at skabe hvirvler. Disse hvirvler bevarer de fysiske egenskaber ved deres forældre vandmasse (f.eks. Temperatur, tæthed, saltindhold og andre havdynamiske egenskaber), når de adskilles. Når hvirvlerne migrerer, ændres deres fysiske egenskaber, når de blandes med det omgivende vand. I Golfstrømmen er vandrende hvirvler kendt som anticykloniske eller cykloniske hvirvler baseret på den retning, de drejer i (med uret vs. mod uret). De to hvirvler varierer i bevægelse, fysiske egenskaber og følgelig deres virkninger på havets biologi og kemi.

The Coriolis kraft kombineret med høj hastighed strømme drev eddy bevægelse. Denne bevægelse skaber en 'bule', dvs. høj havoverfladehøjde (SSH) i midten af de anticykloniske hvirvler. Derimod udviser cykloniske hvirvler en lav SSH i midten. SSH i både anticyklonisk og cyklonisk falder og stiger henholdsvis, efterhånden som afstanden fra midten stiger. Opvækning og nedvældningsprocesser i hvirvlerne skaber en kold og varm kerne. Nedsvømmelse i den anticykloniske virvel forhindrer koldere vand i at trænge ind i overfladen og skaber dermed en varm kerne i midten . Hvorimod i den cykloniske virvel medfører opvælningen dybt koldt vand og danner en koldkerne.

Tidligere undersøgelser viser uddybende virkninger af MLD under anticykloniske virvler og shoaling af MLD i cykloniske virvler. Disse fænomener kan skyldes øget varmetab til atmosfæren i anticykloniske hvirvler. Dette varmetab forårsager, at tæt vand synker, kaldet konvektiv blandingog uddybningen af MLD. I modsætning hertil er vandtemperaturen i kernen i cykloniske hvirvler mindre kold end den anticykloniske virvel. Dette fører derfor ikke til en uddybning af MLD. Undersøgelser foretaget i regionen via et netværk af Argo Floats og modelsimuleringer skabt via satellitdata har vist tilfælde af de modsatte fænomener. Fordybelsen og stigningen af MLD via hvirvler er allestedsnærværende og varierer sæsonbestemt. Sådanne anomalier er mest markante om vinteren. T hus, rollen som meso-skala hvirvler i MLD er kompleks og en funktion af samtidige processer, hvor forstærkede vindskærinducerede strømme bidrager til en overfladisk MLD i anticykloniske virvler.

Relevante atmosfæriske processer

Marine grænselag

Det marine grænselag (MBL) er den del af atmosfæren, der er i direkte kontakt med havoverfladen. MBL påvirkes af udveksling af varme, fugt, gasser, partikler og momentum, primært via turbulens. MBL er kendetegnet ved dannelsen af konvektive celler (eller lodret luftstrøm) over havoverfladen, hvilket forstyrrer den gennemsnitlige overfladevinds retning og genererer tekstur, ruhed og bølger på havets overflade. Der findes to typer grænselag. Det ene er et stabilt, konvektivt lag, der findes mellem de nedre 100 m af atmosfæren og strækker sig op til cirka 3 km i højden, og omtales som det konvektive grænselag (CBL). Det andet grænselag dannes som et resultat af en atmosfærisk inversion på overfladen . Dette sker generelt tættere på overfladen i fravær af turbulens og lodret blanding og bestemmes gennem fortolkningen af lodrette fugtigheds- og temperaturprofiler. MBL er ofte et lokaliseret og tidsmæssigt dynamisk fænomen, og derfor kan dets højde ind i luftsøjlen variere betydeligt fra et område til et andet eller endda i løbet af et par dage. Nordatlanten er en region, hvor forskellige og velformede MBL-skyer normalt dannes, og hvor MBL-laghøjden kan være mellem 2,0 og 0,1 km i højden

Regionale atmosfæriske processer

Vestliger er fremherskende vinde på de midterste breddegrader (mellem 35 og 65 grader breddegrad), som blæser i regioner nord eller syd for højtryks subtropiske områder i verden. Følgelig vil aerosoler udtaget over det nordlige Atlanterhav blive påvirket af luftmasser med oprindelse i Nordamerika og derfor være præget af både de naturlige terrestriske og menneskeskabte input. Relevant for NAAMES er emissionerne fra industri og bymiljøer i det østlige Nordamerika, som afgiver betydelige mængder sulfater, sort kulstof og aromatiske forbindelser. Sådanne stoffer kan transporteres hundredvis af kilometer over havet. Dette bidrag fra kontinentale påvirkninger kan skabe et falsk positivt signal i de biologiske fluorescenssignaler, der måles og kunne påvirke skyens mikrofysiske egenskaber i det åbne Nordatlantiske Ocean. Desuden udsendes aerosoler som sort kul blandet med kuldioxid og andre drivhusgasser gennem upartisk forbrænding af fossile brændstoffer fra skibsmotorer. Disse uforbrændte kulbrinter findes i det marine grænselag i Nordatlanten og de fleste andre fjerntliggende oceaniske områder. Efterhånden som disse partikler ældes eller kemisk transformeres som en funktion af tiden i luften, kan de ændre mikrofysiske og kemiske egenskaber, når de reagerer med andre luftbårne partikler.

Aerosols rolle

Aerosol størrelsesfordeling og deres tilhørende former for akkumulering eller fjernelse fra atmosfæren. Original diagram af, og tilpasset af.

Aerosoler

Aerosoler er meget små, faste partikler eller flydende dråber suspenderet i atmosfæren eller inde i en anden gas og dannes ved naturlige processer eller ved menneskelige handlinger. Naturlige aerosoler omfatter vulkansk aske, biologiske partikler og mineralsk støv samt sort kulstof fra naturlig forbrænding af biomasse, såsom naturbrande. Antropogene aerosoler er dem, der er udsendt fra menneskelige handlinger, såsom forbrænding af fossilt brændstof eller industrielle emissioner. Aerosoler klassificeres som enten primære eller sekundære afhængigt af om de er blevet direkte udsendt til atmosfæren (primære) eller om de har reageret og ændret i sammensætning (sekundær) efter at være blevet udsendt fra deres kilde. Aerosoler, der udsendes fra havmiljøet, er en af de største komponenter i primære naturlige aerosoler. Marine primære aerosoler interagerer med menneskeskabt forurening, og producerer gennem disse reaktioner andre sekundære aerosoler.

Repræsentation af den direkte og første indirekte effekt af aerosoler på albedo af skyer og derfor Jordens strålingsbalance.

En af de mest betydningsfulde endnu usikre komponenter i modeller med forudsigende klimaændringer er aerosols indvirkning på klimasystemet. Aerosoler påvirker Jordens strålingsbalance direkte og indirekte. Den direkte effekt opstår, når aerosolpartikler spreder, absorberer eller udviser en kombination af disse to optiske egenskaber, når de interagerer med indgående sol- og infrarød stråling i atmosfæren. Aerosoler, der typisk spreder lys, inkluderer sulfater, nitrater og nogle organiske partikler, mens dem, der har en tendens til at udvise en nettoabsorption, omfatter mineralsk støv og sort kulstof (eller sod). Den anden mekanisme, hvormed aerosoler ændrer planetens temperatur, kaldes den indirekte effekt, som opstår, når en skyens mikrofysiske egenskaber ændres, hvilket enten forårsager en stigning i refleksion af indgående solstråling eller en hæmmet evne for skyer til at udvikle nedbør. Den første indirekte effekt er en stigning i mængden af vanddråber, hvilket fører til en stigning i skyer, der afspejler mere solstråling og derfor køler planetens overflade. Den anden indirekte effekt (også kaldet skyens levetidseffekt) er stigningen i dråbetal, som samtidig medfører en stigning i dråbestørrelse og derfor mindre potentiale for nedbør. Det vil sige, at mindre dråber betyder, at skyer lever længere og bevarer et højere flydende vandindhold, hvilket er forbundet med lavere nedbørshastigheder og højere skyalbedo . Dette fremhæver betydningen af aerosolstørrelse som en af de primære determinanter for aerosolmængde i atmosfæren, hvordan aerosoler fjernes fra atmosfæren og konsekvenserne af disse processer i klimaet . Fine partikler er generelt dem under 2 mikrometer (μm) i diameter. Inden for denne kategori er rækkevidden af partikler, der akkumuleres i atmosfæren (på grund af lav flygtighed eller kondensvækst af kerner) fra 0,1-1 μm og fjernes normalt fra luften gennem våd aflejring . Våd aflejring kan være nedbør, sne eller hagl. På den anden side fjernes grove partikler, såsom gamle havspray og planteafledte partikler, fra atmosfæren via tør aflejring . Denne proces kaldes undertiden også sedimentering. Imidlertid udviser forskellige typer af biogene organiske aerosoler forskellige mikrofysiske egenskaber, og derfor vil deres fjernelsesmekanismer fra luften afhænge af fugtighed. Uden en bedre forståelse af aerosolstørrelser og sammensætning i det nordlige Atlanterhav har klimamodeller begrænset evne til at forudsige størrelsen af aerosols afkølende effekt i det globale klima.

Bidrag af aerosoler og gasser i atmosfæren til Jordens strålende tvang. Dette er figur 8.17 i rapport fra arbejdsgruppe 1 Firth Assessment (AR5) fra det mellemstatslige panel om klimaændringer (IPCC). Bemærk sulfaternes nettokølende effekt.

Havspray Aerosoler

Selvom mængden og sammensætningen af aerosolpartikler i den marine atmosfære stammer både fra kontinentale og oceaniske kilder og kan transporteres store afstande, udgør frisk udsendte havspray- aerosoler (SSA) en af de vigtigste kilder til primære aerosoler, især fra moderate og stærke vind. Den estimerede globale emission af rene havsalt-aerosoler er i størrelsesordenen 2.000-10.000 Tg om året. Mekanismen, hvormed dette sker, starter med dannelsen af luftbobler i brydende bølger, som derefter stiger til atmosfæren og brister i hundredvis af ultrafine dråber, der spænder fra 0,1-1,0 μm i diameter. Havspray-aerosoler består for det meste af uorganiske salte, såsom natrium og chlorid. Imidlertid bærer disse bobler undertiden organisk materiale, der findes i havvand, og danner sekundære organiske forbindelser (SOA'er) såsom dimethylsulfid (DMS). Denne forbindelse spiller en nøglerolle i NAAMES -projektet.

En vigtig biogeokemisk konsekvens af SSA er deres rolle som cloud kondensationskerner . Disse er partikler, der tilvejebringer de overflader, der er nødvendige for, at vanddamp kan kondensere under overmættelsesbetingelser. Indfrysning af organisk stof i disse aerosoler fremmer dannelsen af skyer i varmere og tørre miljøer, end hvor de ellers ville dannes, især på høje breddegrader, såsom det nordlige Atlanterhav. Organisk materiale i disse aerosoler hjælper med at nukleatere vanddråber i disse regioner, men alligevel er der masser af ukendte tilbage, f.eks. Hvilken fraktion, der indeholder isfrysende organiske materialer, og fra hvilke biologiske kilder. Ikke desto mindre er fytoplanktonblomsters rolle som en kilde til forstærkede iskernepartikler blevet bekræftet i laboratorieforsøg, hvilket indebærer disse aerosolers vigtige rolle i skystråling. Primære marine aerosoler skabt gennem emballage, der er sprængt i bobler, er blevet målt i Nordatlanten i løbet af foråret 2008 ved International Chemistry Experiment in the Arctic Lower Troposphere (ICEALOT). Denne undersøgelse krydstogt målte rene eller baggrundsområder og fandt, at de for det meste var sammensat af primære marine aerosoler indeholdende hydroxyl (58% ± 13) og alken (21% ± 9) funktionelle grupper, hvilket angiver betydningen af kemiske forbindelser i luften med biologisk oprindelse. Ikke desto mindre begrunder den lille tidsmæssige skala af disse målinger plus manglende evne til at bestemme den nøjagtige kilde til disse partikler det videnskabelige behov for en bedre forståelse af aerosoler over denne region.

Bioaerosoler

Bioaerosoler er partikler sammensat af levende og ikke-levende komponenter frigivet fra terrestriske og marine økosystemer til atmosfæren. Disse kan være skov, græsarealer, landbrugsafgrøder eller endda marine primære producenter, såsom fytoplankton. Primære biologiske aerosolpartikler (PBAP'er) indeholder en række biologiske materialer, herunder bakterier, archaea, alger og svampe, og er blevet estimeret til at udgøre så meget som 25% af den globale totale aerosolmasse. Spredning af disse PBAP'er sker via direkte emission til atmosfæren gennem svampesporer, pollen, vira og biologiske fragmenter. Omgivelseskoncentrationer og størrelser af disse partikler varierer efter placering og sæsonbetingelser, men af relevans for NAAMES er de forbigående størrelser af svampesporer (0,05 til 0,15 um i diameter) og større størrelser (0,1 til 4 um) for bakterier. Marine organiske aerosoler (OA) er blevet estimeret gennem deres korrelation til klorofylpigmenter til at variere i størrelse mellem 2-100 Tg om året. Nylige undersøgelser af OA er imidlertid korreleret med DMS -produktion og i mindre grad klorofyl, hvilket tyder på, at organisk materiale i havsalt -aerosoler er forbundet med biologisk aktivitet i havets overflade. Mekanismerne, der bidrager til marine organiske aerosoler, forbliver således uklare og var et hovedfokus for NAAMES.

Der er tegn på, at marine bioaerosoler indeholdende cyanobakterier og mikroalger kan være skadelige for menneskers sundhed. Fytoplankton kan absorbere og akkumulere en række giftige stoffer, såsom methylkviksølv , polychlorerede biphenyler (PCB'er) og polycykliske aromatiske kulbrinter . Cyanobakterier er kendt for at producere toksiner, der kan aerosoliseres, som ved indånding af mennesker kan påvirke nervesystemet og leversystemet. For eksempel Caller et al. (2009) foreslog, at bioaerosler fra cyanobakterier blomstrer kunne spille en rolle ved høje forekomster af amyotrofisk lateral sklerose (ALS) . Derudover produceres en gruppe giftige forbindelser kaldet microcystiner af nogle cyanobakterier i slægterne Microcystis , Synechococcus og Anabaena . Disse mikrocystiner er blevet fundet i aerosoler af en række undersøgere, og sådanne aerosoler har været impliceret som årsag til isolerede tilfælde af lungebetændelse , gastroenteritis og ikke-alkoholisk fedtsygdom . Dinoflagellater menes også at være involveret i bioaerosol toksicitet, hvor slægten Ostreopsis forårsager symptomer som dyspnø , feber, rhinoré og hoste. Det er vigtigt, at marine giftige aerosoler er fundet så langt som 4 km inde i landet, men efterforskere anbefaler yderligere undersøgelser, der sporer bioaerosols skæbne længere inde i landet.

Svampens fylde af Ascomycota er blevet forstået som den største bidragyder (72% i forhold til andre phyla) til marine bioaerosoler, i hvert fald i det sydlige hav. Af disse udgør Agaricomycetes størstedelen (95%) af svampeklasser inde i denne fylde. Inden for denne gruppe påvises Penicillium -slægten hyppigst i marine svampe aerosoler. Svampebioaerosoler kan også tjene som iskerner og derfor også påvirke det strålende budget i fjerntliggende havområder, såsom det nordlige Atlanterhav.

Ud over havspray-aerosoler (se afsnittet ovenfor) er biogene aerosoler produceret af planteplankton også en vigtig kilde til små (typisk 0,2 um) sky-kondensationskerner (CCN) partikler suspenderet i atmosfæren. Det mellemstatslige panel for klimaændringer (IPCC) forudsagde en stigning i de globale overfladehavstemperaturer med +1,3 til +2,8 grader Celsius i løbet af det næste århundrede, hvilket vil medføre rumlige og sæsonmæssige forskydninger i det nordatlantiske planteplanktonblomstring. Ændringer i samfundets dynamik vil i høj grad påvirke de bioaerosoler, der er tilgængelige for cloud -kondensationskerner. Derfor er skydannelse i Nordatlanten følsom over for bioaerosol -tilgængelighed, partikelstørrelse og kemisk sammensætning.

Marine bioaerosoler og global strålingsbalance

Marine aerosoler bidrager betydeligt til globale aerosoler. Traditionelt har biogeokemisk cykling og klimamodellering fokuseret på havsalt-aerosoler, med mindre opmærksomhed på biogenisk afledte aerosolpartikler, såsom sulfater og beslægtede kemiske arter, der udsendes fra planteplankton. For eksempel i den østlige Nordatlantik i foråret 2002 var høj planteplanktonaktivitet mere præget af organisk kulstof (både opløselige og uopløselige arter) end af havsalte. Den organiske fraktion fra planteplankton bidrog med hele 63% af aerosolmassen i atmosfæren, mens den i vinterperioder med lav biologisk aktivitet kun tegnede sig for 15% af aerosolmassen. Disse data gav tidligt empirisk bevis for disse emissionsfænomener, mens de også viste, at organisk materiale fra havbiota kan øge koncentrationen af skydråber med op til 100%.

Fytoplanktonbomme er vigtige kilder til biogene aerosoler, der leverer skykondensationskerner

Data til test af CLAW -hypotesen

Der er voksende bevis for, hvordan oceanisk fytoplankton påvirker skyalbedo og klima gennem den biogeokemiske cyklus af svovl , som oprindeligt foreslået i slutningen af 1980'erne. De CLAW hypotesetest conceptualizes og forsøger at kvantificere de mekanismer, hvorved fytoplankton kan ændre globale skydække og tilvejebringer planetarisk målestok stråling balance eller homøostase regulering . Da solbestråling driver den primære produktion i de øverste lag af havet, frigives aerosoler i planetens grænselag . En procentdel af disse aerosoler er assimileret i skyer, som derefter kan generere en negativ feedback loop ved at reflektere solstråling. Den økosystembaserede hypotese om fytoplanktonblomstring (udforsket af NAAMES) tyder på, at et opvarmende hav ville føre til et fald i fytoplanktonproduktiviteten. Nedsat planteplankton ville medføre et fald i aerosoltilgængeligheden, hvilket kan føre til færre skyer. Dette ville resultere i en positiv feedback loop, hvor varmere oceaner fører til færre skyer, hvilket muliggør mere opvarmning.

En af nøglekomponenterne i CLAW -hypotesen er emission af dimethylsulfoniopropionat (DMSP) af fytoplankton. En anden kemisk forbindelse, dimethylsulfid (DMS), er blevet identificeret som en stor flygtig svovlforbindelse i de fleste oceaner. DMS -koncentrationer i verdens havvand er blevet anslået til i gennemsnit at være i størrelsesordenen 102,4 nanogram pr. Liter (ng/L). Regionale værdier i Nordatlanten er cirka 66,8 ng/L. Disse regionale værdier varierer sæsonmæssigt og påvirkes af virkningerne af kontinentale aerosoler. Ikke desto mindre er DMS en af de dominerende kilder til biogene flygtige svovlforbindelser i den marine atmosfære. Siden dets konceptualisering har flere forskningsundersøgelser fundet empiriske og omstændighedsmæssige beviser, der understøtter CLAW-hypotesen på midten af breddegrader i Atlanterhavet. NAAMES -kampagnen forsøgte at give en empirisk forståelse af marine bioaerosols virkninger på skydannelse og global strålingsbalance ved at kvantificere mekanismerne bag CLAW -hypotesen.

Emissioner fra havoverfladen mikrolag

Opløste organiske forbindelser, der indeholder rester af polysaccharider , proteiner , lipider og andre biologiske komponenter frigives af planteplankton og bakterier. De er koncentreret til geler i nano-størrelse på havets overflade. Specifikt er sådanne forbindelser koncentreret i havoverfladen mikrolag (SML), den øverste film af vand i havet. SML betragtes som en "hud" inden for de øverste 1 millimeter vand, hvor udveksling af stof og energi sker mellem havet og atmosfæren. De biologiske, kemiske og fysiske processer, der forekommer her, kan være nogle af de vigtigste overalt på Jorden, og dette tynde lag oplever den første udsættelse for klimatiske ændringer som varme, sporgasser, vinde, nedbør og også affald såsom nanomaterialer og plast. SML har også vigtige roller i luft-havgasudveksling og produktion af primære organiske aerosoler.

En undersøgelse med vandprøver og omgivelsesbetingelser fra det nordlige Atlanterhav fandt, at en polysaccharidholdig exopolymer og et protein let aerosoliseres i overfladehavet, og forskere var i stand til at kvantificere mængden og størrelsesopløsningen af det primære hav til lufttransport af biogent materiale. Disse materialer er små nok (0,2 μm) til stort set at blive udsendt fra planteplankton og andre mikroorganismer. Forudsigelse af aerosolmængde, størrelsesfordeling og sammensætning gennem vandprøver er imidlertid i øjeblikket problematisk. Efterforskere foreslår, at fremtidige målinger fokuserer på at sammenligne fluorescensdetekteringsteknikker, der er i stand til at detektere proteiner i aerosoler. NAAMES udfyldte dette forskningsgab ved at tilvejebringe et fluorescerende instrument (se afsnittet om atmosfæriske instrumenter nedenfor), både i luftsøjlen og nær havets overflade.

NAAMES Mål

Identificer de forskellige træk ved den årlige cyklus af fytoplanktonblomstrer i Nordatlanten og bestem de forskellige fysiske processer, der påvirker disse funktioner.

For at nå dette mål blev der brugt en kombination af skibsbaserede, luftbårne og fjernmålinger. NAAMES gennemførte flere kampagner, der fandt sted i de forskellige faser af cyklussen for at fange de vigtige forbigående træk ved den årlige blomstring for at få et samlet overblik.

Forstå, hvordan de forskellige funktioner i den nordatlantiske årlige planteplanktoncyklus interagerer for at "sætte scenen" for årlige blomster.

Dette mål søger at forene de konkurrerende ressourcebaserede og økosystembaserede hypoteser. NAAMES mål var at tilvejebringe de mekanistiske feltstudier, der er nødvendige for at forstå et mere holistisk syn på den årlige blomstring.

Bestem, hvordan de forskellige funktioner i den årlige planteplanktoncyklus påvirker marine aerosoler og skydannelse.

Virkningen af aerosoler på skyer er et undervurderet emne på trods af de store konsekvenser, det kan have for at forudsige fremtidige klimaændringer. Dette mål adresserede dette hul ved at bruge kombinerede målemetoder til at forstå forskellige aerosols bidrag til skydannelse produceret under hver større fase af den årlige planteplanktoncyklus.

Metodik

Feltkampagner

Skematisk af de forskellige prøveudtagningsstrategier for NAAMES -forskningskampagner, herunder satellitsensorer, fartøjsmålinger og indsættelser og fjernføling af fly. Det skildrer også centrale processer, såsom fytoplanktonbomme og aerosolemission og -spredning.

Fire feltkampagner blev gennemført for at målrette mod de fire specifikke ændringer i løbet af den årlige planktoncyklus. De fire NAAMES -feltekampagner synkroniserede datasamlinger fra skibet, luften og satellitterne og var strategisk tidsbestemt til at fange de fire unikke faser af planktonblomstringer i Nordatlanten: vinterovergang, akkumuleringsfase, klimaksovergang og udtømningsfase.

Kampagne 1: Prøvetagning af vinterovergang afsluttet 5. november-2. december 2015

Kampagne 2: Climax Transition-prøveudtagning afsluttet 11. maj-5. juni 2016

Kampagne 3: Faldende prøvetagning afsluttet 30. august-24. september 2017

Kampagne 4: Prøvetagning af akkumuleringsfase afsluttet 20. marts-13. april 2018

Studieområde for NAAMES, der viser ruter for forskningsfartøjer og indsættelse af autonome profilflåd. Billede med tilladelse fra NASA.

Prøveudtagning

Forskning krydstogter på R/V Atlantis

Skibsbaserede instrumenter målte gasser, partikler og flygtige organiske forbindelser over havets overflade. Vandprøver blev også indsamlet for at beskrive planktonsamfundets sammensætning, produktivitets- og respirationshastigheder og fysiologisk stress.

Alle fire kampagner fulgte en lignende skibs- og flyveplan. Den R / V Atlantis afgik fra Woods Hole, Massachusetts , at gå i gang med 26-dages krydstogter dækker 4700 nautiske miles. Skibet sejlede først til 40 W. Det bevægede sig derefter nordpå fra 40 N til 55 N breddegrad langs 40 W længdeparallellen. Denne intensive syd-nord-transekt involverede flere stationære målinger. Skibet vendte derefter tilbage til havnen i Woods Hole. ^{${\ displaystyle \ circ}$}^{${\ displaystyle \ circ}$}^{${\ displaystyle \ circ}$}^{${\ displaystyle \ circ}$}

Igangværende prøveudtagning (dvs. mens skibet bevægede sig) skete langs hele krydstogtet ved hjælp af skibets gennemstrømningsanalysesystem til havvand. Så snart det nåede begyndelsen af det trekantede transektområde, stoppede skibet to gange dagligt ved daggry og middag for stationære målinger for at indsamle vandprøver til inkubation (f.eks. Respiration) og udføre vand-søjleprøvetagning og optiske målinger.

Forskere brugte også autonome ARGO -flyvere tre steder under hvert krydstogt. Disse autonome flydende instrumenter målte parametre som klorofyl (et mål for overflod af fytoplankton), lysintensitet, temperatur, vandtæthed og suspenderede partikler. I alt 12 autonome instrumenter blev indsat under de fire krydstogter.

Luftbåren prøveudtagning

Flybaserede målinger blev designet til at køre på præcis samme tid som forskningsfartøjet krydstogter, så forskere kunne forbinde havniveau-processer med dem i den lavere atmosfære. Satellitdata blev også syntetiseret for at skabe en mere fuldstændig forståelse af plankton og aerosoldynamik og deres potentielle indvirkning på klima og økosystemer.

Luftbåren prøveudtagning involverede en C-130 udstyret med følsomme videnskabelige instrumenter. Flybesætningen baseret i St. John's, Canada , gennemførte 10-timers flyvninger i et "Z-mønster" over undersøgelsesområdet. Flyvninger fandt sted i både store og lave højder for at måle aerosolhøjder og aerosol/økosystem rumlige funktioner. Flyvninger i stor højde indsamlede data om aerosoler over skyen og atmosfæriske målinger af baggrunds aerosoler i troposfæren. Vel over skibet gennemgik flyet spiral nedstigninger til lav højde for at indsamle data om aerosolers lodrette struktur. Disse flyvninger i lav højde tog prøver af aerosoler inden for det marine grænselag. Cloudprøvetagning målt i-cloud-dråbes antal, tæthed og størrelsesmålinger.

Satellitobservationer

Satellitmålinger blev brugt i næsten realtid til at hjælpe med at styre skibets bevægelse og flyveplanlægning. Målingerne omfattede havoverfladehøjde, havoverfladetemperatur, havfarve, vind og skyer. Satellit data også tilvejebragt gennemsnitlige overflade klorofyl koncentrationer via NASAs Moderat Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), som en proxy for primær produktivitet.

Autonome ARGO Floats

Autonome instrumenter på stedet kaldet Argo floats blev indsat for at indsamle fysiske egenskaber og bio-optiske målinger. Argo floats er et batteridrevet instrument, der bruger hydraulik til at styre dets opdrift til at stige ned og op i vandet. Argo -flyderne indsamler både de biologiske og fysiske egenskaber ved havet. De data, der indsamles fra flyderne, sendes eksternt via ARGOS -satellitten.

Atmosfæriske instrumenter

Instrumenter, der bruges til at karakterisere processer i atmosfæren, kan opdeles i dem, der måler gassammensætning, og dem, der måler sammensætningen af optiske egenskaber. Generelt er aerosolprøvetagningsinstrumenter kategoriseret efter deres evne til at måle optiske, fysiske eller kemiske egenskaber. Fysiske egenskaber omfatter parametre såsom partikeldiameter og form.

To almindeligt målte optiske parametre er absorption og spredning af lys med aerosolpartikler. Absorptions- og spredningskoefficienterne afhænger af aerosolmængden.

De autonome ARGOS floats indsamler målinger af konduktivitet, temperatur og dybde (CTD). Det justerer sin hydraulik til at stige op og ned i vandet.

Total lysspredning af aerosolpartikler kan måles med et nefelometer. I modsætning hertil kan aerosollysabsorption måles ved hjælp af flere typer instrumenter, såsom Particle Soot/Absorption Photometer (PSAP) og Continuous Light Absorption Photometer (CLAP). I begge disse instrumenter opsamles partikler på et filter, og lystransmission gennem filteret overvåges kontinuerligt. Denne metode er baseret på integreringspladeteknikken, hvor ændringen i optisk transmission af et filter forårsaget af partikelaflejring er relateret til lysabsorptionskoefficienten for de deponerede partikler ved hjælp af Beer-Lamberts lov.

Et af de instrumenter, der blev brugt til at karakterisere mængden og sammensætningen af bioaerosoler, var Wideband Integrated Bioaerosol Sensors (WIBS). Dette instrument bruger ultraviolet lysinduceret fluorescens (UV-LIF) til at detektere fluorescenssignalerne fra almindelige aminosyrer som tryptophan og nicotinamid adenin dinucleotide (NADH). En lampe, der blinker med gas -xenon, er i stand til at registrere partikelstørrelse og form ved hjælp af ultrapriolette bølgebånd med høj præcision (280 nm og 370 nm).

Videnskabelige fund

Resultater

Nogle resultater, der stammer fra NAAMES -forskning, omfatter videnskabelige artikler om aerosoler og skykondensationskerner, fytoplanktons årlige cyklusser, planteplanktonfysiologi og mesoskala biologi. Der har også været publikationer om forbedrede metoder, herunder nye fjernføleralgoritmer og fremskridt inden for satellitfjernsensor.

Fytoplankton årlige cyklusser

Sæsonbetingede ændringer i phytoplankton biomasse styres af rovdyr-byttedyr interaktioner og ændringer i blandede lagdelte, såsom temperatur, lys og næringsstoffer. At forstå de forskellige faktorers relative betydning på forskellige stadier af sæsoncyklussen giver mulighed for bedre forudsigelser af fremtidige havforandringer. En publikation fra NAAMES fandt vinteren blandet lag dybde til at være positivt korreleret med fjeder klorofyl koncentrationer i Labradorhavet . Tab ved synkning i løbet af vinteren blev kompenseret med netto vækst af planteplankton, og denne netto vintervækst var sandsynligvis en funktion af reduceret græsning på grund af fortynding.

Fytoplankton fysiologi

Forståelse af taksonomiske forskelle i fotoakklimatisering og generelle fytoplanktonsamfund fotoakklimatiseringsstrategier er vigtig for at konstruere modeller, der er afhængige af lys som en vigtig faktor, der styrer blomstringsdynamikken. Endvidere kan en bedre forståelse af fytoplankton-lysdrevet fysiologi hjælpe med bedre aflæsninger af satellitdata om klorofylkoncentrationer og havoverfladetemperatur. En NAAMES-undersøgelse fastslog fotoaklimatiseringsresponserne fra flere taksonomiske grupper under en 4-dages stormhændelse, der forårsagede dyb blanding og stratificering i det subarktiske Atlanterhav. Der var betydelige forskelle i fotoakklimatisering og biomasseakkumulering på forskellige lysdybder under stormhændelsen.

Mesoskala biologi

Et af de seneste resultater af NAAMES -kampagnen inkluderer en bedre forståelse af, hvordan biologi hjælper med at trække atmosfærisk kuldioxid ned i vandsøjlen. Konkret blev virkningen af zooplanktons vertikale migration på kulstofeksport til dybhavet via den biologiske pumpe parametriseret og modelleret for første gang.

Aerosoler og skykondensationskerner

Illustration af kilder til aerosoler fundet under NAAMES -krydstogter

En klar sæsonmæssig forskel i mængden af biogene sulfat -aerosoler blev opdaget i Nordatlanten som et resultat af NAAMES -kampagnen. Disse aerosoler blev sporet til to forskellige biogene oprindelser, begge marine på grund af manglen på kontinental luftmasseindflydelse i undersøgelsesperioden. Den biogene oprindelse var produktionen af dimethylsulfid (DMS) af fytoplankton, som derefter fungerer som skykondensationskerner (CCN) og påvirker skydannelse. Denne undersøgelse klassificerede sulfaterne som "Nyt sulfat", dannet ved kernedannelse i atmosfæren; og "Tilføjet sulfat", som var eksisterende aerosoler i atmosfæren, hvor sulfat blev inkorporeret. Under krydstogtet i november 2015 (kampagne 1) var primært havsalt den vigtigste mekanisme (55%) for CCN -budgettet. I løbet af forårsblomstringen i maj – juni 2016 (kampagne 2) udgjorde tilsat sulfat 32% af CCN, mens havsalt tegnede sig for 4%. Disse empiriske målinger efter sæsonbetingelser vil hjælpe med at forbedre nøjagtigheden af klimamodeller, der simulerer opvarmning eller afkøling af marine bioaerosoler.

Forbedrede målemetoder

NAAMES -forskere udviklede flere nye måleteknikker under projektet. F.eks. Giver sortering af flowcytometri kombineret med bioluminescerende detektion af ATP og NADH en forholdsvis præcis bestemmelse af primær fytoplanktons primære produktivitet, vækstrate og biomasse. Både laboratorie- og felttest validerede denne fremgangsmåde, som ikke kræver traditionelle carbon-14 isotopinkubationsteknikker. Andre NAAMES -forskere anvendte nye teknikker til at måle partikelstørrelsesfordeling , hvilket er en vigtig metrik for biogeokemi og økosystemdynamik. Ved at koble en nedsænkelig laserdiffraktionspartikelstørrelse til et kontinuerligt flydende havvandssystem kunne forskere nøjagtigt måle partikelstørrelsesfordeling lige så godt som mere etablerede (men mere tid- og indsatsintensive ) metoder såsom Coulter-tæller og flow-cytobot. Ud over nye oceanografiske teknikker udviklede NAAMES -teamet også en ny metode til opsamling af skyvand. En flymonteret sonde brugte inertial adskillelse til at opsamle skydråber fra atmosfæren. Deres rapporter om deres aksiale cyklonteknik opsamlede skyvand med en hastighed på 4,5 ml pr. Minut, som blev opbevaret og senere analyseret i laboratoriet.

Nye fjernregistreringsalgoritmer

Fremskridt inden for fjernmåling algoritmer blev også udviklet under NAAMES ekspeditioner. Zhang et al. leverede atmosfæriske korrektioner for det hyperspektrale geostationære kyst- og luftforureningshændelser luftbårne simulator (GCAS) -instrument ved hjælp af både stedfortrædende og skyskygge tilgange. Andre forskere testede nye tilgange til måling af skydråbestørrelse og fandt ud af, at brug af et forskningsscannende polarimeter korrelerede godt med direkte skydråbesondemålinger og højspektral opløsning LIDAR. Deres fund tyder på, at polarimetrisk hentning af dråber kan være et nøjagtigt og nyttigt værktøj til at måle den globale skydråbes størrelse.

Fremskridt inden for satellit LIDAR havfjernmåling

NAAMES -teamet har gjort fremskridt med brugen af LIDAR inden for oceanografi. For eksempel har Behrenfeld et al. (2017) viste, at rumbaseret LIDAR kunne fange årlige cyklusser af fytoplanktondynamik i regioner på 45 breddegrader. Ved hjælp af disse nye teknikker fandt de ud af, at Antarktis planteplanktonbiomasse hovedsageligt ændres på grund af isdække, mens ændringerne i planteplankton i arktis hovedsageligt er drevet af økologiske processer. I et andet papir beskrev teamet nye fremskridt inden for satellit-LIDAR-teknikker og argumenterede for, at en ny æra med rumbaseret LIDAR har potentiale til at revolutionere oceanografisk fjernmåling. ^{${\ displaystyle \ circ}$}

Fremtidige konsekvenser

NAAMES leverede banebrydende data om aerosoler og deres forhold til talrige økosystemer og oceanografiske parametre. Deres opdagelser og metodiske innovationer kan bruges af modellerere til at bestemme, hvordan fremtidige oceaniske økosystemændringer kan påvirke klimaet.

NAAMES Data

Færdiggjorte versioner af feltdata kan ses via NASAs distribuerede aktive arkivcentre (DAAC'er). Data for hver krydstogtskampagne blev gemt som separate projekter, og hver kampagnes oplysninger blev offentliggjort inden for 1 år efter målesamlingen. Skibsbaserede oplysninger kan ses via SeaWiFS biooptisk arkiv- og lagersystem (SeaBASS), mens luftbårne oplysninger kan ses via Atmospheric Science Data Center (ASDC).

NAAMES forventer, at mange yderligere publikationer vil blive frigivet i de kommende år fra løbende forskning og behandling af data.

Languages

In other projects