Onderzoekers ontwikkelen nieuwe methode voor het volgen van oceaan-koolstof vanuit de ruimte

Onderzoekers van MBARI en Florida State University hebben een nieuwe methode ontwikkeld om satellietgegevens te gebruiken voor het voorspellen van de hoeveelheid koolstof die de oceaan absorbeert na een bloei aan de oppervlakte. De oceaan speelt een grote rol in de cyclus van koolstofdioxide in de atmosfeer. Het bepalen van hoeveel koolstof in de oceaan is opgeslagen, is essentieel voor het begrijpen van de veranderende klimaat op aarde. Echter, het meten en monitoren van oceanografische processen op grote schaal is een uitdaging voor wetenschappers.

De onderzoekers hebben hun bevindingen recent gepubliceerd in het tijdschrift Geophysical Research Letters. “We hebben dringend tools nodig om de oceaan-koolstofverbinding op wereldschaal te monitoren. Door gebruik te maken van diverse datasets hebben we een nieuwe weg gevonden om de schattingen van koolstofexport vanuit de ruimte te verbeteren,” aldus Monique Messié, een senior onderzoeksspecialist die het Data Integration and Interdisciplinary Oceanography Team van MBARI leidt en de hoofdauteur van de recente studie is.

De oceaan en zijn bewoners zijn cruciale onderdelen van de koolstofcyclus van de aarde. Koolstofdioxide lost op in de oceaan, en mariene organismen zetten het om in organisch materiaal dat later naar de diepzee zakt. Samen kunnen deze processen koolstof uit de atmosfeer opslaan in de diepten van de oceaan, een proces dat bekend staat als koolstofexport.

Directe metingen van koolstofexport zijn schaars, waardoor wetenschappers afhankelijk zijn van modellen en satellietgegevens om grootschalige patronen in de oceaan-koolstofverbinding te begrijpen. Kleine plantachtige fytoplankton in de oppervlaktewateren van de oceaan zetten koolstofdioxide om in organische koolstof via fotosynthese. Wetenschappers kunnen satellietgegevens over oceaankleur gebruiken om de productiviteit van fytoplankton te schatten. Echter, bestaande satellietgebaseerde modellen vangen vaak niet wat er onder het oppervlak van de oceaan gebeurt.

Kustopwaartse stroming in de Californische stroom – een koele, voedingsrijke stroom die van British Columbia naar Baja California loopt – creëert een explosie van productiviteit. Oceaanstromingen kunnen fytoplankton honderden kilometers van de kust vervoeren. Mariene organismen consumeren fytoplankton, waardoor koolstof door de voedselketen wordt getransporteerd als voedsel en afval. Dode fytoplankton en koolstofrijk afval zinken uiteindelijk naar de diepten, deel uitmakend van een biologisch pomp die koolstof duizenden jaren in de diepzee kan opslaan.

Het Data Integration and Interdisciplinary Oceanography Team van MBARI werkt aan het begrijpen van oceaanprocessen door gebruik te maken van diverse datasets uit verschillende disciplines, van fysica tot ecosystemen. Het team is vooral geïnteresseerd in het onderzoeken van de processen die patronen van biologische gemeenschappen in de waterkolom door de tijd heen aansteken. Deze relaties zijn bijzonder uitdagend te ontrafelen omdat ze niet altijd direct zijn. Bijvoorbeeld, omdat plankton door stromingen worden verplaatst, kan wat we op één locatie waarnemen het resultaat zijn van eerdere omstandigheden tientallen kilometers verderop.

Het team ontwikkelt modellen om deze effecten te ontrafelen en te ontdekken welke processen biologische gemeenschappen aansteken, hoe ze plaatsvinden en hun impact te kwantificeren. MBARI heeft een reeks geavanceerde technologieën ingezet op Station M, een onderzoeksgebied voor de kust van Centraal-Californië, om de abissale zeebodem te monitoren. De schat aan gegevens van dit langetermijnobservatorium heeft onderzoekers geholpen te begrijpen hoe koolstof van het oppervlak naar de diepzee wordt gecycled.

MBARI-onderzoekers en hun samenwerkingspartners hebben eerder pulsen van koolstof naar de diepzeebodem waargenomen die niet konden worden verklaard door bestaande satellietgebaseerde algoritmen voor koolstofexport. Deze algoritmen modelleren oceaanfysica en biogeochemie, maar houden geen rekening met de vertraging in zowel tijd als ruimte tussen de productiviteit van fytoplankton aan de oppervlakte en koolstofexport naar de diepzee.

Messié en een team van MBARI-onderzoekers zochten naar een nieuwe manier om de schattingen van koolstofexport te verbeteren. Het team ontwikkelde een Lagrangiaans groei-advectie satellietafgeleid model dat de opvolging en export van plankton in kaart brengt op basis van de oppervlakte-oceanische circulatie na kustopwaartse stroming. Het model was aanvankelijk ontworpen om biologische hotspots te volgen waar mariene levensvormen zich verzamelen.

In plaats van afhankelijk te zijn van oceaankleurgegevens om koolstofexport te schatten, omvat deze nieuwe benadering de afwijkingen tussen productie en export, de rol van zoöplankton en de advection van planktonbloei door oceaanstromingen. Deze methode presteerde net zo goed als modellen die afhankelijk zijn van oceaankleur of langetermijnmonitoring van koolstof die op de abissale zeebodem neervalt. Het succes van het team toont aan dat export goed kan worden weergegeven vanuit de ruimte zonder oceaankleur, door gebruik te maken van een planktonmodel en satellietafgeleide sporen van oceaanstromingen. Deze resultaten bieden nieuwe inzichten in wat koolstofexport aanstuurt, hoe het vanuit de ruimte kan worden weergegeven en de ruimtelijke en temporele patronen in een productieve oceaanregio.

Het Data Integration and Interdisciplinary Oceanography Team van MBARI zal dit nieuwe model gebruiken om beter te begrijpen hoe koolstoffluxen in de diepzee verbonden zijn met oppervlakteprocessen. Volgend jaar zal de aanstaande MBARI postdoctoraal fellow Théo Picard samenwerken met Messié om te onderzoeken welke mechanismen de onverklaarde intense pulsen aansteken die zijn waargenomen in MBARI’s langetermijnmonitoring op Station M. Naast het verfijnen van het Lagrangiaanse groei-advectiemodel van oppervlakte koolstofexport, zal Picard machine learning gebruiken om voort te bouwen op eerdere analyses om het oppervlaktegebied van Station M te schatten en samenwerken met MBARI’s Carbon Flux Ecology Team om de rol van de samenstelling van biologische gemeenschappen te onderzoeken.

“Een complex web van fysieke en biologische factoren beïnvloedt de oceaan-koolstofcyclus. Het gebruik van satellietgegevens over winden en stromingen toont veelbelovend potentieel voor het schatten van oceaan koolstofexport, wat een complementair perspectief biedt aan modellen die gebruik maken van oceaankleur zichtbaar vanuit de ruimte. We hopen dat de mariene onderzoeksgemeenschap op ons werk kan voortbouwen om complexe oceanografische processen beter weer te geven vanuit satellietgegevens,” aldus Messié.