機器人浮標實現定量測量全球海洋碳循環

就像陸地上的植物一樣，海洋中微小的浮游生物通過光合作用消耗二氧化碳，并將其轉化為有機物和氧氣。這種生物轉化被稱為海洋初級生產力。在2021年發表于《自然—地理科學》的一項研究中，美國蒙特里海洋生物研究所高級科學家Ken Johnson和前MBARI博士后研究員Mariana Bif演示了機器人浮標艦隊如何在全球范圍內改變了人們對海洋初級生產力的理解。

通過將二氧化碳轉化為有機物，浮游植物不僅支撐著海洋食物網，它們還是海洋生物碳泵的第一步。這些機器人收集的數據將使科學家能夠更準確地估計碳是如何從大氣流向海洋的，并為全球碳循環提供新線索。研究人員表示，浮游植物生產力的變化會產生深遠的影響，比如影響海洋儲存碳的能力，改變海洋食物網。

“我們已經知道在溫暖的海洋中，海洋浮游植物的初級產量將減少，但我們沒有辦法進行全球尺度的測量來驗證模型。”Johnson說，而且，海洋初級生產力隨氣候系統的變化而起伏，但初級生產力“可能在一些地方上升，在另一些地方下降，但我們不知道這些將如何平衡”。

由于資源和人力的限制，在全球范圍內進行直接觀測獲得具有季節性和年度分辨率的數據十分困難且成本高昂。相反，衛星遙感或計算機生成的環流模型能提供所需的空間和時間分辨率。“衛星數據可以用來繪制初級生產力的全球地圖，但這些數值是基于模型而不是直接測量的。”Johnson警告說。

現在，科學家有了一種研究海洋生產力的新方法——在海洋中漂浮的數千個自主機器人。Bif表示，這些機器人讓科學家得以了解海洋各區域、深度和時間的初級生產力。“這項工作是海洋數據采集的一個重要里程碑。我們不再需要真的去那里，就可以從海洋中收集大量數據。”

隨著生物地球化學—阿爾戈（BGC-Argo）浮標在全球的不斷部署，相關數據為研究人員提供了氧氣隨時間變化的散射測量數據。借助氧氣生成模式，Johnson和Bif可以計算出全球范圍內的海洋凈初級生產力。例如，通過測量浮游植物隨時間釋放多少氧氣，研究人員可以估計它們消耗了多少二氧化碳。

Johnson表示，雖然這是一個眾所周知的模式，但這項工作是首次用被布放在全球海洋的工具定量測量，而不是通過建模和其他工具進行估計。

但是，目前浮標每10天只進行一次采樣，研究人員需要在一天內進行多次測量才能得到一個每日循環。于是，Johnson和Bif用一種新方法分析了浮標數據，從而計算出海洋初級生產力。每個浮標在一天的不同時間上浮，結合來自300個浮標的數據和來自一天不同時間的樣本，研究人員就可以重現氧氣的每日循環，然后計算初級生產力。

為了確認計算出的初級生產力的準確性，研究人員將兩個海域的浮標數據與基于船舶的采樣數據進行了比較——夏威夷海洋采樣點（HOT）和百慕大大西洋采樣點（BATS)，結果兩者數據相似。

Johnson和Bif發現浮游植物每年產生約53拍克碳，這一測量值接近最新計算機模型估計的每年52拍克碳。1拍克等于1012千克，大致相當于2億頭大象的重量。

研究人員希望，這些新數據能幫助科學家通過模擬不同的情景，如溫度變暖、浮游植物生長變化、海洋酸化和營養物質變化等，進一步預測海洋初級生產力將如何響應氣候變化。