La vida marina microscópica juega un papel fundamental en la salud del océano y, por último, el planeta. Al igual que las plantas en la tierra El diminuto fitoplancton utiliza la fotosíntesis para consumir dióxido de carbono y convertirlo en materia orgánica y oxígeno. Esta transformación biológica se conoce como productividad primaria marina.

En un nuevo estudio en Naturaleza Geociencia hoy dia, El científico senior de MBARI Ken Johnson y la ex becaria postdoctoral de MBARI Mariana Bif demostraron cómo una flota de flotadores robóticos podría revolucionar nuestra comprensión de la productividad primaria en el océano a escala global.

Los datos recopilados por estos flotadores permitirán a los científicos estimar con mayor precisión cómo fluye el carbono de la atmósfera al océano y arrojar nueva luz sobre el ciclo global del carbono. Los cambios en la productividad del fitoplancton pueden tener profundas consecuencias, como afectar la capacidad del océano para almacenar carbono y alterar las redes tróficas del océano. Ante un clima cambiante, Es imperativo comprender el papel del océano en la extracción de carbono de la atmósfera y su almacenamiento durante largos períodos de tiempo.

"Basado en modelos informáticos imperfectos, Hemos predicho que la producción primaria de fitoplancton marino disminuirá en un océano más cálido, pero no teníamos una forma de realizar mediciones a escala global para verificar modelos. Ahora lo hacemos ", dijo el científico principal de MBARI, Ken Johnson.

Al convertir el dióxido de carbono en materia orgánica, El fitoplancton no solo sustenta las redes tróficas oceánicas, son el primer paso en la bomba de carbono biológico del océano.

El fitoplancton consume dióxido de carbono de la atmósfera y lo usa para construir sus cuerpos. Los organismos marinos comen ese fitoplancton, morir, y luego hundirse en el fondo marino profundo. Este carbono orgánico es respirado gradualmente por bacterias en dióxido de carbono. Dado que mucho de esto ocurre a grandes profundidades, el carbono se mantiene alejado de la atmósfera durante largos períodos de tiempo. Este proceso secuestra carbono en masas de agua de aguas profundas y sedimentos y es un componente crucial en el modelado del clima de la Tierra ahora y en el futuro.

La productividad primaria marina disminuye y fluye en respuesta a los cambios en nuestro sistema climático. "Podríamos esperar que la productividad primaria global cambie con un clima más cálido, ", explicó Johnson." Podría subir en algunos lugares, abajo en otros, pero no sabemos cómo se equilibrarán ". Monitorear la productividad primaria es crucial para comprender nuestro clima cambiante, pero observar la respuesta a escala global ha sido un problema significativo.

Medir directamente la productividad en el océano requiere recolectar y analizar muestras. Las limitaciones en los recursos y el esfuerzo humano hacen que las observaciones directas a escala global sean desafiantes y tengan un costo prohibitivo para la resolución estacional a anual. En lugar de, La teledetección por satélite o los modelos de circulación generados por computadora ofrecen la resolución espacial y temporal requerida. "Los satélites se pueden utilizar para hacer mapas globales de productividad primaria, pero los valores se basan en modelos y no son medidas directas, "advirtió Johnson.

"Los científicos estiman que aproximadamente la mitad de la productividad primaria de la Tierra ocurre en el océano, pero la escasez de mediciones no pudo darnos una estimación global confiable para el océano todavía, "agregó Mariana Bif, oceanógrafo biogeoquímico y ex becario postdoctoral en MBARI. Ahora, Los científicos tienen una nueva alternativa para estudiar la productividad de los océanos:miles de robots autónomos a la deriva por el océano.

Estos robots están dando a los científicos un vistazo a la productividad primaria marina en el área, profundidad, y tiempo. Están transformando drásticamente nuestra capacidad para estimar la cantidad de carbono que acumula el océano global cada año. Por ejemplo, el Océano Índico y la mitad del Océano Pacífico Sur son regiones donde los científicos tienen muy poca información sobre la productividad primaria. Pero esto cambió con el despliegue de los flotadores Biogeochemical-Argo (BGC-Argo) en todo el mundo.

"Este trabajo representa un hito importante en la adquisición de datos oceánicos, ", enfatizó Bif." Demuestra cuántos datos podemos recopilar del océano sin tener que ir allí ".

Los flotadores perfiladores BGC-Argo miden la temperatura, salinidad, oxígeno, pH clorofila, y nutrientes. Cuando los científicos despliegan por primera vez un flotador BGC-Argo, se hunde a 1, 000 metros (3, 300 pies) de profundidad y deriva a esta profundidad. Luego, su programación autónoma se pone a trabajar perfilando la columna de agua. El flotador desciende a 2, 000 metros (6, 600 pies), luego asciende a la superficie. Una vez en la superficie, el flotador se comunica con un satélite para enviar sus datos a los científicos en tierra. Luego, este ciclo se repite cada 10 días.

Durante la última década, una flota creciente de flotadores BGC-Argo ha estado tomando medidas en todo el océano. Los flotadores capturan miles de perfiles cada año. Este tesoro de datos proporcionó a Johnson y Bif mediciones dispersas de oxígeno a lo largo del tiempo.

Conocer el patrón de producción de oxígeno permitió a Johnson y Bif calcular la productividad primaria neta a escala global.

Durante la fotosíntesis, el fitoplancton consume dióxido de carbono y libera oxígeno en una cierta proporción. Al medir la cantidad de oxígeno que libera el fitoplancton a lo largo del tiempo, los investigadores pueden estimar la cantidad de fitoplancton de carbono que producen y la cantidad de dióxido de carbono que consumen. "El oxígeno aumenta durante el día debido a la fotosíntesis, por la noche debido a la respiración; si puede obtener el ciclo diario de oxígeno, tienes una medida de productividad primaria, ", explicó Johnson. Aunque se trata de un patrón bien conocido, este trabajo representa la primera vez que se ha medido cuantitativamente con instrumentos a escala global en lugar de estimarse a través de modelos y otras herramientas.

Pero los flotadores de perfiles solo toman muestras una vez cada 10 días, y Johnson y Bif necesitaban varias mediciones en un día para obtener un ciclo diario. Un enfoque novedoso para analizar los datos de flotación permitió a Johnson y Bif calcular la productividad primaria del océano. Con cada flotador de perfilado subiendo a una hora diferente del día, La combinación de datos de 300 flotadores y muestras de varias horas del día permitió a Johnson y Bif recrear el ciclo diario de oxígeno subiendo y bajando y luego calcular la productividad primaria.

Para confirmar la precisión de las estimaciones de productividad primarias calculadas a partir de los flotadores BGC-Argo, Johnson y Bif compararon sus datos de flotación con los datos de muestreo basados ​​en barcos en dos regiones:la estación Hawaii Ocean Time-series (HOT) y la Bermuda Atlantic Time-series Station (BATS). Los datos adquiridos de los flotadores de perfiles cerca de esas regiones dieron resultados similares a los muestreos mensuales de los barcos en estos dos sitios durante muchos años.

Johnson y Bif encontraron que el fitoplancton producía alrededor de 53 petagramos de carbono por año. Esta medida estuvo cerca de los 52 petagramos de carbono por año estimados por los modelos informáticos más recientes. (Un petagramo es 1, 000, 000, 000, 000 kilogramos, o una gigatonelada, y aproximadamente el equivalente al peso de 200 millones de elefantes). Este estudio validó modelos biogeoquímicos recientes y destacó cuán robustos se han vuelto estos modelos.

Los datos de alta resolución de los flotadores BGC-Argo pueden ayudar a los científicos a calibrar mejor los modelos informáticos para simular la productividad y garantizar que representen las condiciones oceánicas del mundo real. Estos nuevos datos permitirán a los científicos predecir mejor cómo responderá la productividad primaria marina a los cambios en el océano mediante la simulación de diferentes escenarios como el calentamiento de las temperaturas, cambios en el crecimiento del fitoplancton, Acidificación oceánica, y cambios en los nutrientes. A medida que se despliegan más flotadores, Johnson y Bif esperan que los resultados de su estudio puedan actualizarse, incertidumbres decrecientes.

"Todavía no podemos decir si hay un cambio en la productividad primaria del océano porque nuestra serie de tiempo es demasiado corta, "advirtió Bif." Pero establece una línea de base actual a partir de la cual podríamos detectar cambios futuros. Esperamos que nuestras estimaciones se incorporen a los modelos, incluidos los utilizados para satélites, para mejorar su desempeño ".

Pero ya, la gran cantidad de datos de estos flotadores ha demostrado ser invaluable para mejorar nuestra comprensión de la productividad primaria marina y cómo el clima de la Tierra está vinculado al océano.

Los flotadores BGC-Argo han sido fundamentales para el proyecto de modelado y observaciones del clima y el carbono del océano Austral (SOCCOM), un programa patrocinado por NSF que se centró en descubrir los misterios del Océano Austral y determinar su influencia en el clima. Y el año pasado marcó el debut del proyecto Global Ocean Biogeochemistry Array (GO-BGC Array), que permitirá a los científicos abordar cuestiones fundamentales sobre los ecosistemas oceánicos, observar la salud y la productividad del ecosistema, y monitorear los ciclos elementales del carbono, oxígeno, y nitrógeno en el océano durante todas las estaciones del año.

La información recopilada por estas iniciativas globales colaborativas proporciona datos esenciales para mejorar los modelos informáticos de las pesquerías oceánicas y el clima y monitorear y pronosticar los efectos del calentamiento y la acidificación de los océanos en la vida marina.