Havet spelar en viktig roll i koldioxidcykeln i atmosfären. Att fastställa hur mycket koldioxid som binds i havet är avgörande för att förstå jordens klimatförändringar. Att mäta och övervaka oceanografiska processer i stor skala är dock en utmaning för forskarna.
Forskare vid MBARI och samarbetspartners från Florida State University har utvecklat en ny metod för att analysera satellitdata för att bättre kunna förutsäga koldioxidutsläppen. Teamet har nyligen publicerat sina resultat i tidskriften Geophysical Research Letters.
”Vi behöver akut verktyg för att övervaka kopplingen mellan havet och koldioxid på global skala. Genom att utnyttja olika datamängder har vi identifierat en ny väg framåt för att förbättra uppskattningarna av koldioxidutsläpp från rymden”, säger Monique Messié, seniorforskare som leder MBARI:s team för dataintegration och tvärvetenskaplig oceanografi och huvudförfattare till den senaste studien.
Havet och dess invånare är viktiga delar av jordens koldioxidcykel. Koldioxid löses upp i havet och marint liv omvandlar det till organiskt material som senare sjunker till havets djup. Tillsammans kan dessa processer binda eller lagra koldioxid från atmosfären i havets djup, en process som kallas koldioxidtransport.
Direkta mätningar av koltransport är sällsynta, så forskarna måste förlita sig på modeller och satellitdata för att förstå storskaliga mönster i sambandet mellan havet och kolet. Små växtliknande fytoplankton i havets ytvatten omvandlar koldioxid till organiskt kol genom fotosyntes. Forskare kan använda satellitdata om havets färg för att uppskatta fytoplanktonets produktivitet. Befintliga satellitbaserade modeller fångar dock ofta inte upp vad som händer under havsytan.
Kustuppvällning i Kaliforniaströmmen – en sval, näringsrik ström som sträcker sig från British Columbia till Baja California – skapar en produktivitetsboom. Havsströmmar kan transportera fytoplankton hundratals kilometer ut till havs. Marint liv konsumerar fytoplankton och transporterar kol genom näringsväven som föda och avfall. Dött fytoplankton och kolrikt avfall sjunker slutligen till djupet, där det blir en del av en biologisk pump som kan binda kol i djuphavet i tusentals år.
MBARI:s team för dataintegration och tvärvetenskaplig oceanografi arbetar för att förstå havsprocesser genom att utnyttja olika datamängder från olika discipliner, från fysik till ekosystem.
Teamet är särskilt intresserat av att ta reda på vilka processer som driver mönster i biologiska samhällen i vattenpelaren över tid. Dessa samband är särskilt svåra att tolka eftersom de inte alltid är direkta. Eftersom plankton förflyttas av strömmar kan det vi observerar på en plats till exempel vara resultatet av tidigare förhållanden tiotals kilometer bort.
Teamet för dataintegration och tvärvetenskaplig oceanografi utvecklar modeller för att reda ut dessa effekter och avslöja vilka processer som driver biologiska samhällen, beskriva hur de uppstår och kvantifiera deras påverkan.
MBARI har installerat en rad avancerade tekniker vid Station M, en forskningsstation utanför Kaliforniens centrala kust, för att övervaka den djupa havsbotten. Den stora mängden data från detta långsiktiga observatorium har hjälpt forskare att förstå hur kol cirkulerar från ytan till djuphavet.
MBARI-forskare och samarbetspartners hade tidigare observerat kolpulser till djuphavsbotten som inte kunde förklaras med befintliga satellitbaserade algoritmer för kolexport. Dessa algoritmer modellerar havsfysik och biogeokemi, men tar inte hänsyn till tids- och rumsfördröjningen mellan fytoplanktonets produktivitet vid ytan och kolexporten till djuphavet.
Messié och ett team av MBARI-forskare och samarbetspartners försökte hitta en ny väg för att förbättra uppskattningarna av koltransporten. Teamet utvecklade en satellitbaserad modell för lagrangisk tillväxt och advektion som kartlägger planktonsuccession och transport till ytliga havsströmmar efter uppvällning längs kusten. Modellen var ursprungligen utformad för att spåra biologiska hotspots där marint liv samlas.
I stället för att förlita sig på havsfärgsdata för att uppskatta koltransporten, tar denna nya metod hänsyn till skillnaderna mellan produktion och transport, zooplanktonets roll och advektion av planktonblomningar genom havsströmmar. Metoden fungerade lika bra som modeller som baseras på havsfärg eller långvarig övervakning av kol som regnar ner på havsbotten.
Teamets framgång visar att exporten kan representeras väl från rymden utan havsfärg, med hjälp av en planktonmodell och satellitbaserade spår av havsströmmar. Dessa resultat ger nya insikter om vad som styr koltransporten, hur den kan representeras från rymden och dess rumsliga och tidsmässiga mönster i en produktiv havsregion.
MBARI:s team för dataintegration och tvärvetenskaplig oceanografi kommer att utnyttja denna nya modell för att bättre förstå hur kolflödena i djuphavet är kopplade till ytprocesser.
Nästa år kommer MBARI:s nya postdoktor Théo Picard att arbeta tillsammans med Messié för att undersöka vilka mekanismer som driver de oförklarliga intensiva pulser som observerats i MBARI:s långsiktiga övervakning vid station M. Förutom att förfina den lagrangiska tillväxt-advektionsmodellen för koltransport till ytan kommer Picard att använda maskininlärning för att bygga vidare på tidigare analyser för att uppskatta ytans avrinningsområde vid Station M och samarbeta med MBARIs team för kolflödesekologi för att undersöka den biologiska sammansättningens roll.
”Ett komplext nätverk av fysiska och biologiska faktorer påverkar kolcykeln i haven. Användning av satellitdata om vindar och strömmar är lovande för att uppskatta exporten av kol från haven och erbjuder ett komplement till modeller som använder havsfärger som är synliga från rymden. Vi hoppas att den marina forskningsgemenskapen kan bygga vidare på vårt arbete för att bättre kunna återge komplexa oceanografiska processer utifrån satellitdata”, säger Messié.
Mer information: M. Messié et al, Spatial and Temporal Interplay Between Oceanic Circulation and Biological Production in Shaping Carbon Export Off the California Coast, Geophysical Research Letters (2025). DOI: 10.1029/2024GL113707
