Die 3D-Karten können Forschern helfen, die Reaktion des Ozeans auf den Klimawandel zu verfolgen und vorherzusagen.
Fast überall in den Ozeanen wimmelt es von Leben, außer in bestimmten Taschen, in denen der Sauerstoff auf natürliche Weise absinkt und das Wasser für die meisten aeroben Organismen unbewohnbar wird. Diese desolaten Pools sind „Sauerstoffmangelzonen“ oder ODZs. Und obwohl sie weniger als 1 Prozent des Gesamtvolumens des Ozeans ausmachen, sind sie eine bedeutende Quelle für Lachgas, ein starkes Treibhausgas. Ihre Grenzen können auch das Ausmaß der Fischerei und der Meeresökosysteme einschränken.
Jetzt haben MIT-Wissenschaftler den detailliertesten dreidimensionalen „Atlas“ der größten ODZs der Welt erstellt. Der neue Atlas bietet hochauflösende Karten der beiden großen, sauerstoffarmen Gewässer im tropischen Pazifik. Diese Karten zeigen das Volumen, die Ausdehnung und die unterschiedlichen Tiefen jeder ODZ zusammen mit feinskaligen Merkmalen wie Bändern aus sauerstoffreichem Wasser, die in ansonsten erschöpfte Zonen eindringen.
Das Team verwendete eine neue Methode, um Ozeandaten aus über 40 Jahren zu verarbeiten, die fast 15 Millionen Messungen umfassen, die von vielen Forschungskreuzfahrten und autonomen Robotern im tropischen Pazifik gemacht wurden. Die Forscher sammelten und analysierten diese riesigen und feinkörnigen Daten, um Karten von Sauerstoffmangelzonen in verschiedenen Tiefen zu erstellen, ähnlich den vielen Schichten eines dreidimensionalen Scans.
Aus diesen Karten schätzten die Forscher das Gesamtvolumen der beiden großen ODZs im tropischen Pazifik genauer als frühere Versuche. Die erste Zone, die sich vor der Küste Südamerikas erstreckt, misst etwa 600.000 Kubikkilometer – ungefähr die Wassermenge, die 240 Milliarden olympische Becken füllen würde. Die zweite Zone vor der Küste Mittelamerikas ist etwa dreimal so groß.
Der Atlas dient als Referenz dafür, wo ODZs heute liegen. Das Team hofft, dass Wissenschaftler diesen Atlas mit fortlaufenden Messungen ergänzen können, um Veränderungen in diesen Zonen besser zu verfolgen und vorherzusagen, wie sie sich mit der Erwärmung des Klimas verändern könnten.
„Es wird allgemein erwartet, dass die Ozeane Sauerstoff verlieren, wenn das Klima wärmer wird. Aber die Situation ist in den Tropen komplizierter, wo es große Sauerstoffmangelzonen gibt“, sagt Jarek Kwiecinski ’21, der den Atlas zusammen mit Andrew Babbin, dem Cecil und Ida Green Career Development Professor am MIT Department of Earth, Atmospheric and . entwickelt hat Planetarische Wissenschaften. „Es ist wichtig, eine detaillierte Karte dieser Zonen zu erstellen, damit wir einen Vergleichspunkt für zukünftige Veränderungen haben.“
Chefwissenschaftler Andrew Babbin zeichnet den Probenahmeverlauf auf. Bildnachweis: Mary Lide Parker
Die Studie des Teams erscheint heute im Journal Globale biogeochemische Zyklen.
CTD-Rosette von Niskin-Flaschen, die Wasser in der Tiefe sammeln und kontinuierliche Sauerstoffmessungen durchführen können. Bildnachweis: Mary Lide Parker
Artefakte auslüften
Sauerstoffmangelzonen sind große, persistente Regionen des Ozeans, die natürlich vorkommen, da marine Mikroben sinkendes Phytoplankton zusammen mit dem gesamten verfügbaren Sauerstoff in der Umgebung auffressen. Diese Zonen liegen zufällig in Regionen, die keine Meeresströmungen passieren, die normalerweise Regionen mit sauerstoffreichem Wasser auffüllen würden. Infolgedessen sind ODZs Orte mit relativ dauerhaftem, sauerstoffarmem Wasser und können in mittelozeanischen Tiefen zwischen etwa 35 und 1.000 Metern unter der Oberfläche existieren. Aus gewisser Sicht verlaufen die Ozeane im Durchschnitt etwa 4.000 Meter tief.
In den letzten 40 Jahren haben Forschungskreuzfahrten diese Regionen erkundet, indem Flaschen in verschiedene Tiefen abgeworfen und Meerwasser hochgezogen wurden, das Wissenschaftler dann auf Sauerstoff messen.
„Aber es gibt viele Artefakte, die von einer Flaschenmessung stammen, wenn Sie versuchen, wirklich null Sauerstoff zu messen“, sagt Babbin. „Der gesamte Kunststoff, den wir in der Tiefe einsetzen, ist voller Sauerstoff, der in die Probe eindringen kann. Alles in allem erhöht dieser künstliche Sauerstoff den wahren Wert des Ozeans.“
Anstatt sich auf Messungen von Flaschenproben zu verlassen, untersuchte das Team Daten von Sensoren, die an der Außenseite der Flaschen angebracht oder in Roboterplattformen integriert sind, die ihren Auftrieb ändern können, um Wasser in verschiedenen Tiefen zu messen. Diese Sensoren messen eine Vielzahl von Signalen, einschließlich Änderungen des elektrischen Stroms oder der Intensität des von einem lichtempfindlichen Farbstoff emittierten Lichts, um die im Wasser gelöste Sauerstoffmenge abzuschätzen. Im Gegensatz zu Meerwasserproben, die eine einzelne diskrete Tiefe darstellen, zeichnen die Sensoren kontinuierlich Signale auf, während sie durch die Wassersäule absteigen.
Wissenschaftler haben versucht, diese Sensordaten zu verwenden, um den wahren Wert der Sauerstoffkonzentrationen in ODZs abzuschätzen, fanden es jedoch unglaublich schwierig, diese Signale genau umzuwandeln, insbesondere bei Konzentrationen nahe Null.
„Wir haben einen ganz anderen Ansatz gewählt, indem wir Messungen verwendet haben, um nicht ihren wahren Wert zu untersuchen, sondern wie sich dieser Wert innerhalb der Wassersäule ändert“, sagt Kwiecinski. „Auf diese Weise können wir anoxische Wässer erkennen, unabhängig davon, was ein bestimmter Sensor sagt.“
Bodenbildung
Das Team argumentierte, dass, wenn Sensoren einen konstanten, unveränderlichen Sauerstoffwert in einem kontinuierlichen, vertikalen Abschnitt des Ozeans anzeigen, unabhängig vom tatsächlichen Wert, dies wahrscheinlich ein Zeichen dafür ist, dass der Sauerstoff die Talsohle erreicht hat und dass der Abschnitt Teil ist einer sauerstoffarmen Zone.
Die Forscher führten fast 15 Millionen Sensormessungen zusammen, die über 40 Jahre von verschiedenen Forschungskreuzfahrten und Roboterschwimmern gesammelt wurden, und kartierten die Regionen, in denen sich der Sauerstoff mit der Tiefe nicht änderte.
„Wir können jetzt sehen, wie sich die Verteilung von anoxischem Wasser im Pazifik in drei Dimensionen ändert“, sagt Babbin.
Das Team kartierte die Grenzen, das Volumen und die Form von zwei großen ODZs im tropischen Pazifik, eine auf der Nordhalbkugel und die andere auf der Südhalbkugel. Sie konnten auch feine Details innerhalb jeder Zone sehen. Zum Beispiel sind sauerstoffarme Gewässer „dicker“ oder konzentrierter zur Mitte hin und scheinen sich zu den Rändern jeder Zone hin auszudünnen.
„Wir konnten auch Lücken sehen, in denen es so aussieht, als wären in geringer Tiefe große Bisse aus anoxischem Wasser genommen worden“, sagt Babbin. “Es gibt einen Mechanismus, der Sauerstoff in diese Region bringt, wodurch sie im Vergleich zum umgebenden Wasser mit Sauerstoff angereichert wird.”
Solche Beobachtungen der sauerstoffarmen Zonen des tropischen Pazifiks sind detaillierter als die bisherigen Messungen.
„Wie die Grenzen dieser ODZs geformt sind und wie weit sie sich erstrecken, konnte bisher nicht geklärt werden“, sagt Babbin. „Jetzt haben wir eine bessere Vorstellung davon, wie sich diese beiden Zonen in Bezug auf Flächenausdehnung und Tiefe vergleichen.“
„Das gibt Ihnen eine Skizze, was passieren könnte“, sagt Kwiecinski. „Mit dieser Datensammlung kann man noch viel mehr tun, um zu verstehen, wie die Sauerstoffversorgung des Ozeans kontrolliert wird.“
Wissenschaftliche Party der R/V Falkor FK180624-Kreuzfahrt mit den Autoren Jarek Kwiecinski (stehend, links) und Andrew Babbin (Mitte, in Lila) und ihrem Team. Bildnachweis: Mary Lide Parker
Diese Forschung wird teilweise von der Simons Foundation unterstützt.
Bilder mit freundlicher Genehmigung von MIT.
Schätzen Sie die Originalität von CleanTechnica? Ziehen Sie in Erwägung, CleanTechnica-Mitglied, Unterstützer, Techniker oder Botschafter zu werden – oder ein Förderer von Patreon.
