Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda odkryli zaskakującą zmianę na Oceanie Arktycznym. Wybuchające zakwity fitoplanktonu, maleńkie glony u podstawy sieci pokarmowej zwieńczonej wielorybami i niedźwiedziami polarnymi, drastycznie zmieniły zdolność Arktyki do przekształcania węgla atmosferycznego w żywą materię. W ciągu ostatniej dekady zjawisko to zastąpiło cofanie się lodu morskiego jako największej siły napędowej zmian w pobieraniu dwutlenku węgla przez fitoplankton.

Badanie opublikowano dzisiaj (10 lipca) w Science. Autor Kevin Arrigo, profesor w Stanford's School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth), powiedział, że rosnący wpływ biomasy fitoplanktonu może stanowić „znaczącą zmianę reżimu” w Arktyce - regionie, który ociepla się szybciej niż gdziekolwiek indziej na ziemi.

Badanie koncentruje się na produkcji pierwotnej netto (NPP), która jest miarą tego, jak szybko rośliny i glony przekształcają światło słoneczne i dwutlenek węgla w cukry, które mogą jeść inne stworzenia. „Stawki są naprawdę ważne z punktu widzenia ilości pożywienia dla reszty ekosystemu” - powiedział Arrigo. „Jest to również ważne, ponieważ jest to jeden z głównych sposobów, w jaki CO2 jest wyciągany z atmosfery do oceanu”.

Gęstniejąca zupa

Arrigo i współpracownicy odkryli, że NPP w Arktyce wzrosło o 57 procent między 1998 a 2018 rokiem. To niespotykany skok wydajności w całym basenie oceanicznym. Bardziej zaskakujące jest odkrycie, że podczas gdy wzrosty NPP były początkowo powiązane z cofającym się lodem morskim, produktywność nadal rosła, nawet gdy topnienie uległo spowolnieniu około 2009 roku. „Wzrost NPP w ostatnim dziesięcioleciu jest spowodowany prawie wyłącznie ostatnim wzrostem biomasy fitoplanktonu - powiedział Arrigo.

Innymi słowy, te mikroskopijne glony metabolizowały kiedyś więcej węgla w Arktyce tylko dlatego, że zyskiwały więcej otwartej wody w dłuższych sezonach wegetacyjnych, dzięki zmianom pokrywy lodowej spowodowanych klimatem. Teraz stają się bardziej skoncentrowane, jak "zagęszczająca się zupa" z alg.

„W danej objętości wody, więcej fitoplanktonu mogło rozrastać każdego roku” - powiedziała główna autorka badań, Kate Lewis, która pracowała nad badaniami jako doktorant Wydziału Nauk o Systemie Ziemi w Stanford. „Po raz pierwszy odnotowano to na Oceanie Arktycznym”.

Nowe zapasy żywności

Fitoplankton wymaga światła i składników odżywczych do wzrostu. Ale dostępność i przenikanie się tych składników w całej kolumnie wodnej zależy od złożonych czynników. W rezultacie, chociaż badacze Arktyki zaobserwowali, że zakwity fitoplanktonu w ostatnich dziesięcioleciach przybierają na sile, zastanawiali się, jak długo może trwać boom i jak daleko może zajść.

Dzięki zgromadzeniu ogromnej nowej kolekcji pomiarów barwy oceanu dla Oceanu Arktycznego i stworzeniu nowych algorytmów do szacowania stężeń fitoplanktonu na ich podstawie, zespół Stanford odkrył dowody na to, że dalszy wzrost produkcji może nie być tak narażony ograniczonymi składnikami odżywczymi, jak kiedyś podejrzewano. „To jeszcze wcześnie, ale wygląda na to, że nastąpiła zmiana na większą podaż składników odżywczych” - powiedział Arrigo, profesor w Donald i Donald M. Steel w Earth Sciences.

Naukowcy wysuwają hipotezę, że nowy napływ składników odżywczych przybywa z innych oceanów i jest zmywany z głębin Arktyki. „Wiedzieliśmy, że Arktyka zwiększyła produkcję w ciągu ostatnich kilku lat, ale wydawało się możliwe, że system po prostu poddaje recyklingowi ten sam zapas składników odżywczych” - powiedział Lewis. „Nasze badanie pokazuje, że tak nie jest. Fitoplankton z każdym rokiem pochłania więcej węgla, gdy do tego oceanu docierają nowe składniki odżywcze. Było to nieoczekiwane i ma duży wpływ na środowisko”.

Dekodowanie Arktyki

Naukowcom udało się wyodrębnić te spostrzeżenia z pomiarów chlorofilu pobranych przez czujniki satelitarne i rejsy badawcze. Ale ze względu na niezwykłą grę światła, koloru i życia w Arktyce, praca wymagała nowych algorytmów. „Ocean Arktyczny jest najtrudniejszym miejscem na świecie do wykonywania teledetekcji satelitarnej” - wyjaśnił Arrigo. „Algorytmy, które działają wszędzie na świecie - które analizują na kolor oceanu, aby ocenić, ile jest fitoplanktonu - w ogóle nie działają w Arktyce”.

Trudność wynika częściowo z ogromnej ilości napływającej wody rzecznej w kolorze herbaty, która przenosi rozpuszczoną materię organiczną, którą zdalne czujniki mylą z chlorofilem. Dodatkowa złożoność wynika z niezwykłych sposobów, w jakich fitoplankton przystosował się do ekstremalnie słabego światła Arktyki. „Kiedy korzystasz z globalnych algorytmów teledetekcji satelitarnej na Oceanie Arktycznym, możesz uzyskać poważne błędy w swoich szacunkach” - powiedziała Lewis.

Jednak te dane teledetekcyjne są niezbędne do zrozumienia długoterminowych trendów w basenie oceanicznym w jednym z najbardziej ekstremalnych środowisk na świecie, gdzie pojedynczy bezpośredni pomiar NPP może wymagać 24 godzin całodobowej pracy zespołu naukowców na pokładzie lodołamacza - powiedziała Lewis. Starannie wyselekcjonowała zestawy kolorów oceanu i pomiarów NPP, a następnie wykorzystała skompilowaną bazę danych do stworzenia algorytmów dostosowanych do unikalnych warunków Arktyki. Zarówno baza danych, jak i algorytmy są teraz dostępne do użytku publicznego.

Prace pomagają wyjaśnić, w jaki sposób zmiany klimatu wpłyną na przyszłą produktywność, zaopatrzenie w żywność i zdolność pochłaniania węgla przez Ocean Arktyczny. „Będą zwycięzcy i przegrani” - powiedział Arrigo. „Bardziej produktywna Arktyka oznacza więcej pożywienia dla wielu zwierząt. Ale wielu zwierzętom, które przystosowały się do życia w polarnym środowisku, życie staje się trudniejsze w miarę cofania się lodu”.

Wzrost fitoplanktonu może również nie być zsynchronizowany z resztą sieci pokarmowej, ponieważ lód topnieje na początku roku. Dodajmy do tego prawdopodobieństwo większego ruchu żeglugowego w miarę otwierania się wód arktycznych oraz fakt, że Arktyka jest po prostu zbyt mała, aby zniwelować większość światowych emisji gazów cieplarnianych. „Pobiera znacznie więcej węgla niż kiedyś” - powiedział Arrigo - „ale nie jest to coś, na czym będziemy mogli polegać, aby pomóc nam wyjść z problemu klimatycznego”.