跟踪从海面到暮光区的碳

由国家航空航天局(NASA)和国家科学基金会(National Science Foundation)共同支持的一次海上航行于5月初在北大西洋启航，这是由国家科学基金会(NSF)共同资助的一项补充性探险的续集，该探险队于2018年在北太平洋进行。

NASA在2021年部署的海洋领域活动称为“遥感中的海洋出口过程”(EXPORTS)，由来自30多个政府，大学和私人非政府机构的150名科学家和工作人员组成。该小组分布在三艘海洋研究船上，他们将在爱尔兰西部的豪猪深渊平原的国际水域相遇。在整个野战期间，科学家将在三艘船上部署各种仪器：英国南安普敦国家海洋学中心运营的RRS James Cook和RRS Discovery，以及海洋暮光区项目租用的第三艘船由西班牙比戈(Vigo)的海洋技术部负责，是伍兹霍尔海洋学研究所的成员。共有52个高科技平台，

许多科学都关注海洋在全球碳循环中的作用。通过化学和生物过程，海洋从大气中清除的碳与陆地上所有植物一样多。科学家希望进一步探索海洋生物泵的机制，即长期将大气和表层海洋中的碳隔离在深海中的过程。该过程涉及称为浮游植物的微观植物样生物，其与陆地植物一样进行光合作用，并且可以通过观察海洋颜色的变化从太空中看到。它们的生产力对地球的碳循环有重要影响，而碳循环又反过来影响地球的气候。

加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的EXPORTS科学负责人David Siegel说：“这是自1980年代和90年代合全球海洋通量研究以来对海洋生物碳泵的首次全面研究。” “在此期间，我们获得了先进的显微成像工具，基因组学，强大的化学和光学传感器以及自主机器人-一堆我们当时没有的东西，因此我们可以提出更艰巨，更重要的问题。” 这些问题包括有多少有机碳离开了表层海洋，以及它沿着深处被封存了数十年到数千年的深海时所采取的路径。

科学家们知道将碳从大气和上层海洋传输到位于表面以下1,640英尺(500m)或更长的黑暗“暮光区”的三种主要途径：1)海洋的物理混合和循环可以将悬浮的有机物深深地带入海洋内部; 2)粒子在经过有机体的肠道后经常会因重力而下沉; 3)在上下海平面之间上下班的动物每天的垂直迁移都会带走碳。

出口旨在通过观察在两个条件不同的两个截然不同的海洋生态系统中的碳泵，确定每种途径输送的碳量。研究人员之所以选择北太平洋和北大西洋，是因为它们处于生产力谱的相反两端(即光合作用的速率)，并且经历了两个相对的极端物理过程，例如涡流和洋流。研究对比的环境将为建模未来的气候方案提供最大的见识。

据位于马里兰州格林贝尔特的宇航局戈达德太空飞行中心的项目科学家和海洋学家伊冯娜·塞蒂尼奇(IvonaCetinić)说，北太平洋类似于陆地上的沙漠或“简单的草地”。它的养分含量低，在这种情况下为光合作用所需的铁，并且在全球海洋中发现的涡流最少。因此，向深海的碳运输主要是由称为浮游动物的小动物驱动的，它们消耗了像植物一样的微小浮游植物，然后将消化的碳排泄到了下面的深度。

浮游植物漂浮在海洋的上层阳光照射层，在那里它们可以将来自大气的二氧化碳转化为有机碳。如果条件合适(例如每年这个时候在北大西洋地区的情况通常如此)，浮游植物的数量就会迅速增长或“开花”，可以从太空中看到它们。

北大西洋还具有强烈的洋流，这与北太平洋流动缓慢的水域形成了鲜明的对比。西格尔说，与此同时，他们预计在为期一个月的探险中，至少有四天的恶劣天气。

但是，EXPORTS数据不仅适用于海洋，还将用于改善卫星技术。切蒂尼奇(Cetinić)处理来自海洋彩色卫星的几种光学测量，这些光学测量测量了在可见光谱部分中从海洋表面反射的光，我们将其称为彩虹的颜色。这些提供了洞察力，例如测量海洋的温度，盐度，碳和一种称为叶绿素的绿色色素的浓度。但是，占据生态系统和碳循环不同部分的浮游植物种类不同，会产生不同数量和深浅的绿色叶绿素，造成海洋色彩的细微差别，这是当前海洋彩色卫星无法“看到”的。

在EXPORTS期间部署的仪器中，高度精密的仪器(在某些情况下还包括实验性光学仪器)可用于测量海洋颜色，类似于将来的NASA卫星上的仪器。研究人员将通过基因组学，图像分析或色素成分，将这些模拟卫星的测量结果与对表面浮游植物群落的详细观测相结合，并结合其生理知识，使卫星能够检测出海洋多样性，并最终确定其在海洋碳循环中的作用。

这些卫星的下一代，即NASA的浮游生物，气溶胶，云，海洋生态系统(PACE)任务，将是高光谱的，这意味着它将能够在整个可见光谱范围内收集数据，并捕获可见部分以外的信息，包括紫外线和短波红外。

切蒂尼奇说：“我们在地面上所看到的东西使我们了解了我们需要从太空看到什么样的信息，以便捕获我们希望能够更好地理解的那些关键过程。” “这推动了天基技术的发展。作为回报，来自新的地球观测卫星的数据使科学家(例如参加EXPORTS的科学家)能够找到其他关键信息或开发新技术来补充现有技术。 ，甚至激发出一颗新的地球观测卫星。这种技术与科学的永恒互动最终使全人类受益。”

在实地调查活动之后，出口的另一个阶段将集中在利用从大西洋和太平洋收集的数据来预测未来海洋中的碳传输路径。

西格尔说：“我们目前所知道的仅限于当今海洋中正在发生的事情。” “随着持续的气候驱动型变化，不仅在海洋中，而且在整个地球系统中都可以看到，我们需要能够预测2075年将要发生的事情，而我们还没有这种预测性的理解。”

由于将要同时测量一片海洋的许多特征，因此现有的计算机模型将拥有丰富且更完整的数据集，这些数据集将描绘碳泵，并以此为基础对近期内可能发生的事件进行更深层次的预测在海洋中-以及对碳循环可能产生的影响。

塞蒂尼奇说：“这是一个很好的数据集，它将在未来数十年推动研究。”

由于大流行，PACE和EXPORTS都出现了延误。现在，为了确保每个相关人员的安全，在航行和在船上第一个星期制定社交疏远协议之前，需要进行两周的隔离。西格尔说，团队成员的多样性和奉献精神，英国国家海洋学中心提供的无与伦比的支持，以确保船员和船员为航行做好准备和安全，宇航局总部的持续承诺，以及许多良好的运气。该广告系列今年仍能继续进行的原因。

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