موج های گرمایی اقیانوسی: وقتی پمپ زیستی کربن تضعیف می شود

مطالعه‌ای میان‌رشته‌ای نشان می‌دهد موج‌های گرمایی دریایی در خلیج آلاسکا ساختار پلانکتون‌ها را تغییر داده و پمپ زیستی کربن را کند یا مختل می‌کنند؛ پیامدی که توانایی اقیانوس در جذب CO2 را کاهش می‌دهد.

نظرات
موج های گرمایی اقیانوسی: وقتی پمپ زیستی کربن تضعیف می شود

11 دقیقه

پژوهش تازه‌ای نشان می‌دهد موج‌های گرمایی دریا می‌توانند پمپ زیستی کربن اقیانوس—سامانه‌ای که کربن را از سطح به اعماق منتقل می‌کند—را کند یا حتی مختل کنند و در نتیجه ظرفیت اقیانوس برای جذب CO2 اتمسفری کاهش یابد. تیمی میان‌رشته‌ای به سرپرستی Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) با ترکیب داده‌های شناورها و پیمایش‌های طولانی‌مدت دریایی در خلیج آلاسکا بررسی کرده‌اند که چگونه دو موج گرمایی بزرگ ساختار جوامع پلانکتونی را تغییر دادند و مسیر نهایی ذرات کربنی در آب‌ستون را جابه‌جا کردند.

شناورهای روباتیک BGC-Argo نمونه‌برداری می‌کنند

شناورهای روباتیک قادرند به‌طور پیوسته داده‌های دقیق زیست‌محیطی جمع‌آوری کنند. پژوهش جدید که تحت پروژه Global Ocean Biogeochemistry Array و با رهبری محققان MBARI انجام شد، داده‌های شناورهای مستقر در خلیج آلاسکا را با رکوردهای پیمایش‌های کشتی–پایه و نمونه‌برداری پلانکتون ترکیب کرد و نشان داد موج‌های گرمایی ساختار زنجیره‌های غذایی دریایی را بازنویسی می‌کنند و توانایی اقیانوس در ذخیره‌سازی کربن را تضعیف می‌نمایند.

در این گزارش، روش‌ها، یافته‌های کلیدی و پیامدهای این مطالعه برای بافر اقلیمی، اکوسیستم‌های دریایی و آینده رصد اقیانوس بررسی شده‌اند. همچنین نشان داده شده که چرا پایش مداوم و هماهنگ برای درک پیامدهای افزایش فراوانی و شدت موج‌های گرمایی ضروری است.

پیش‌زمینه علمی: پمپ زیستی کربن و اهمیت آن

اقیانوس یکی از بزرگ‌ترین مخازن کربن کره زمین است؛ تقریباً حدود یک‌چهارم از کربن دی‌اکسید ناشی از فعالیت‌های انسانی توسط آب دریا جذب می‌شود. یکی از مکانیسم‌های اصلی ذخیره طولانی‌مدت، پمپ زیستی کربن است: فیتوپلانکتون‌های فوتوسنتزکننده CO2 را به ماده آلی تبدیل می‌کنند و این ماده از طریق شبکه غذایی منتقل می‌شود. بخش‌هایی از این کربن به‌صورت مدفوع مصرف‌کنندگان یا تجمع ذرات پس از مرگ فیتوپلانکتون‌ها تشکیل ذراتی می‌دهند که به‌سوی لایه مزوفوتیک (میان 200 تا 1000 متر) و سپس به اعماق سقوط می‌کنند. آن‌جا می‌توانند برای قرن‌ها تا هزارسال ذخیره شوند.

موج‌های گرمایی دریایی—شرایط غیرعادی و گرم که از چند روز تا چند ماه پایدار می‌مانند—می‌توانند ترکیب گونه‌ای پلانکتون، نرخ‌های متابولیکی و تعاملات تغذیه‌ای را تغییر دهند. این تغییرات اندازه و چگالی ذرات فروریزنده را عوض کرده یا بازیافت کربن آلی را در آب‌های سطحی افزایش می‌دهند و در نتیجه میزان صادرات به اعماق را کاهش می‌دهند. درک این فرآیندها نیازمند مشاهدات تکرارشونده و با وضوح بالا از سطح تا اعماق، پیش از وقوع، در حین و پس از موج گرما است.

طراحی مطالعه و ابزارهای مشاهداتی

این تحقیق چندین مجموعه‌داده مستقل را که بیش از یک دهه را پوشش می‌دادند، در خلیج آلاسکا تلفیق کرد؛ منطقه‌ای که دو موج گرمایی بزرگ را تجربه کرده است: رویداد 2013–2015 معروف به «Blob» و یک موج قوی دیگر در 2019–2020. عناصر کلیدی مشاهداتی عبارت بودند از:

  • شناورهای GO-BGC BGC-Argo: بخشی از شبکه جهانی Biogeochemistry که تحت مدیریت MBARI است؛ این شناورها در هر 5–10 روز نمایه‌هایی از دما، شوری، اکسیژن، نیترات، فلورسانس کلروفیل و کربن آلی ذره‌ای (POC) را در ستون آب بالا ثبت می‌کنند. نمونه‌برداری مداوم آنها نمایه‌های با فرکانس بالا از شرایط زیستی و شیمیایی را در فصول و حوادث فراهم می‌آورد.
  • پیمایش‌های کشتی Line P: برنامه طولانی‌مدت Fisheries and Oceans Canada که ترکیب جوامع پلانکتونی را از طریق شیمی پیگمنت و توالی‌یابی DNA محیطی (eDNA) در فصول مختلف ثبت می‌کند. این روش‌های کشتی-پایه رزولوشن تاکسونومیک را ارائه داده و سیگنال‌های شناورها را تایید می‌کنند.
  • همگرایی میان‌رشته‌ای: تیم پژوهشی شامل محققانی از MBARI، دانشگاه میامی، Hakai Institute، دانشگاه شیامن، دانشگاه بریتیش کلمبیا، دانشگاه دانمارک جنوبی و Fisheries and Oceans Canada بود که اقیانوس‌شناسی، زیست‌شناسی مولکولی، بیوژئوشیمی و علوم اکوسیستم را ترکیب کردند.

چرا ترکیب شناور و نمونه‌برداری کشتی مهم است

شناورها زمان و تکراردهی بالا دارند اما رزولوشن تاکسونومیک محدودی ارائه می‌دهند. از سوی دیگر، نمونه‌برداری کشتی امکان شناسایی گونه‌ها و فرایندهای مولکولی را فراهم می‌آورد اما پوشش زمانی کمتری دارد. ترکیب این دو دسته داده، پنجره‌ای کامل‌تر از تغییرات فصلی و واکنش به شوک‌های محیطی—مثل موج گرما—به ما می‌دهد.

کشف‌های کلیدی: چگونه موج‌های گرما تسمه نقاله کربن را می‌بندند

نتایج مطالعه شواهد قابل‌توجهی ارائه کرد که موج‌های گرما جوامع پلانکتونی را تغییر داده و صادرات کربن را مختل کردند، اما جذاب این است که دو موج مورد بررسی مکانیسم‌های متفاوتی داشتند:

  • رویداد 2013–2015 (The Blob): تولید اولیه سطحی توسط فیتوپلانکتون‌ها در سال دوم افزایش یافت، اما کربن آلی ذره‌ای در حوالی عمق ~200 متر تجمع پیدا کرد به‌جای آنکه سریع به اعماق برسد؛ این نشان از ایجاد گلوگاهی در مزوفلاتیک دارد که ذرات کوچک و کربن بازیافتی را نگه می‌دارد.
  • رویداد 2019–2020: در سال اول تجمع سطحی ذرات کربنی رکوردشکنی شد، اما این افزایش را نمی‌شد تنها با تولید فیتوپلانکتون‌ها توجیه کرد. به‌نظر می‌رسد پالس کربن به‌دلیل تشدید بازیافت در شبکه غذایی و انباشت بقایا (detritus) تقویت شده بود. ماده شروع به فروریزش کرد اما در بازه 200–400 متر متوقف شد و به‌طور مؤثر به ذخایر عمیق نرسید.

در هر دو رویداد الگوی مشترک افزایش نگهداری و بازیافت کربن آلی در مناطق سطحی و زون گرگ‌ومیش بود که توسط گرایش به فیتوپلانکتون‌های کوچکتر و فراوانی بیشتر چرنده‌های کوچک هدایت می‌شد. چرنده‌های کوچک مدفوع‌های با نرخ فروریزش کند تولید می‌کنند و تجزیه میکروبی را تقویت می‌نمایند؛ این امر احتمال بازگشت کربن به اتمسفر را افزایش می‌دهد.

ماریانا بَیف، نویسنده ارشد مطالعه که پیش‌تر در MBARI بود و اکنون استاد کمکی در Rosenstiel School دانشگاه میامی است، می‌گوید: «یافته‌های ما نشان می‌دهد این موج‌های گرمایی جوامع پلانکتونی را تغییر داده و پمپ زیستی کربن را مختل کرده‌اند. تسمه نقاله‌ای که کربن را از سطح به اعماق منتقل می‌کرد، دچار قفل یا گلوگاه شده است. این خطر را ایجاد می‌کند که کربنِ تولیدشده به‌جای ذخیره شدن در اعماق، دوباره به اتمسفر بازگردد.»

مکانیسم‌ها در سطح فرآیند

پیوندهای زیستی که گرما را به نگهداری کربن مرتبط می‌کنند شامل موارد زیر است:

  • تعویض گونه‌ای: گرما گونه‌های فیتوپلانکتونی کوچکتر و سازگار با آب‌های گرم را ترجیح می‌دهد که ذرات ریز و کند‌فروریزش تولید می‌کنند به‌جای تجمعات بزرگ.
  • بازنویسی شبکه غذایی: افزایش چرنده‌های کوچک بازیافت را تشدید می‌کند؛ میکروب‌ها کربن آلی را به CO2 تنفسی تبدیل می‌کنند قبل از آنکه فرصت فروریزش به اعماق را پیدا کند.
  • پردازش مزوفلاتیک: زون گرگ‌ومیش پر از موجوداتی است که ذرات فروآینده را می‌خورند؛ کندی نرخ فروریزش زمان تماس را طولانی‌تر می‌کند و فرصت بیشتری برای ترمیمینرالیزاسیون فراهم می‌آورد.

ترکیب این فرایندها سهم کربن تولیدشده در سطح که به اعماق می‌رسد را کاهش داده و در نتیجه قدرت مخزن کربن بلندمدت اقیانوس را تضعیف می‌کند.

پیامدها برای اقلیم، اکوسیستم‌ها و شیلات

اگر موج‌های گرمایی دریایی فراوانی و وسعت بیشتری بیابند—آنطور که مدل‌های اقلیمی و مشاهدات اقیانوسی پیش‌بینی می‌کنند—کارآمدی اقیانوس در ذخیره کربن ممکن است کاهش یابد. کاهش اثربخشی پمپ زیستی می‌تواند بازخورد مثبتی بر اقلیم ایجاد کند: CO2 بیشتری در جو باقی می‌ماند و گرمایش شتاب می‌گیرد، که خود احتمال رخداد موج‌های گرما را بیشتر می‌کند.

فراتر از اثرات اقلیمی، تغییرات در پایه زنجیره غذایی پلانکتونی می‌تواند در سراسر شبکه‌های غذایی آبزیان پیچیده شود؛ از بقای تخم و لارو ماهیان و جذب غذا توسط پستانداران دریایی تا بهره‌وری شیلات تجاری. اقتصادهای منطقه‌ای وابسته به شیلات ممکن است نوسان بیشتری را تجربه کنند اگر رشد پایه‌ای زنجیره غذایی به سمت گونه‌های کوچکتر و دارای ارزش تغذیه‌ای کمتر تغییر یابد.

نمونه‌ای از پیامدهای اجتماعی-اقتصادی

فرض کنید در یک ناحیه ساحلی تولید ماهی‌های مولد کدک (که وابسته به ذخایر بزرگ پلانکتونی است) کاهش یابد؛ این می‌تواند چندین سال پس از موج گرما به کاهش صیدها و درآمد ماهیگیران منجر شود. نوسان‌های ناگهانی در منابع غذایی می‌تواند فشار بیشتری بر مدیریت پایدار منابع دریایی اعمال کند.

فناوری، پایش و مسیرهای پژوهشی آینده

این مطالعه ارزش تلفیق شناورهای BGC-Argo خودران با پیمایش‌های زیستی کشتی-پایه و ابزارهای مولکولی (eDNA، شیمی پیگمنت) را نشان می‌دهد. اولویت‌های کلیدی برای آینده عبارتند از:

  • گسترش پوشش شناورهای BGC-Argo تا رژیم‌های اقیانوسی و رخدادهای موج گرما متنوع‌تر ثبت شوند.
  • شبکه‌های مشاهداتی یکپارچه و میان‌سازمانی که خطوط پایهٔ پیش-درحین-پس برای رویدادهای شدید ارائه دهند.
  • بهبود مدل‌های بیوژئوشیمیایی و اکوسیستم که تغییرات جوامع پلانکتونی، تشکیل ذرات و پردازش مزوفلاتیک را نمایش دهند تا صادرات کربن در سناریوهای گرمایش آینده پیش‌بینی شود.

کن جانسون، دانشمند ارشد MBARI و محقق اصلی پروژه GO-BGC، رویکرد همکاری را برجسته کرد: «برای فهم عمیق اثر موج گرما بر اکوسیستم‌ها و فرآیندهای اقیانوسی، نیازمند داده‌های مشاهداتی از پیش، در جریان و پس از حادثه هستیم. این نمونه‌ای عالی از این است که همکاری چگونه می‌تواند پاسخ به پرسش‌های کلیدی درباره سلامت اقیانوس را ممکن سازد.»

نیاز به توسعه شاخص‌ها و مدل‌های بهتر

برای تقویت پیش‌بینی‌ها لازم است شاخص‌هایی توسعه یابند که تغییرات اندازه ذرات، نرخ فروریزش مدفوع‌ها، و شدت بازیافت میکروبی را به‌صورت قابل‌استفاده در مدل‌های جهانی توصیف کنند. این امر شامل آزمایشگاه‌سازی مشاهده‌ها، سنجش پارامترهای فیزیولوژیکی پلانکتون‌ها و یکپارچه‌سازی داده‌های مولکولی با داده‌های فیزیکی می‌شود.

دیدگاه کارشناسان و نکات کلیدی پژوهشی

نظر یک زیست‌شناس بیوژئوشیمیایی که در این مطالعه نقش نداشته اما با داده‌ها آشناست: «این تحقیق نشان می‌دهد پاسخ‌های زیستی به گرمایش می‌توانند سرنوشت کربن را در مقیاس دهه تغییر دهند. شناورها دقت زمانی لازم برای دیدن این واکنش‌ها در زمان واقعی را دارند. برای مدل‌سازان، وارد کردن دینامیک اندازه ذرات و مسیرهای چرنده‌ای برای کاهش عدم‌قطعیت در پیش‌بینی‌های اقلیمی ضروری است.»

نقاط تحقیقاتی که شایسته توجه‌اند شامل آزمایش تعامل بین موج‌های گرما و دیگر استرسورهای انسانی (مثل اسیدی شدن اقیانوس و تغذیه بیش از حد) و نیز نقش گونه‌های کلیدی در تنظیم مسیرهای صادرات کربن است.

تأمین مالی و همکاری بین‌المللی

این پژوهش عمدتاً توسط پروژه GO-BGC از National Science Foundation ایالات متحده حمایت شد (NSF Award 1946578؛ پشتیبانی عملیاتی NSF Award 2110258) و کمک‌هایی از David and Lucile Packard Foundation، بنیاد ملی علوم چین (grant 42406099)، صندوق‌های بنیادین دانشگاه‌های مرکزی (grant 20720240105)، Danish Center for Hadal Research (DNRF145) و برنامه Line P از Fisheries and Oceans Canada دریافت کرد. نویسندگان بین‌رشته‌ای و بین‌المللی مطالعه نمونه‌ای از این هستند که سرمایه‌گذاری هماهنگ و مداوم در رصد اقیانوس چه بینش‌های ارزشمندی تولید می‌کند.

اولویت‌گذاری برای سرمایه‌گذاری در شبکه‌های مشاهده‌ای طولانی‌مدت و داده‌محور می‌تواند نه‌تنها زمینه‌ساز پژوهش‌های علمی بهتر باشد، بلکه اطلاعات لازم برای تصمیم‌گیری‌های مدیریتی و سیاست‌گذاری اقلیمی را نیز فراهم آورد.

در پایان، یافته‌ها هشدار می‌دهند که موج‌های گرمایی می‌توانند پایه زنجیره غذایی را بازنویسی و کارایی پمپ زیستی کربن را کاهش دهند؛ پیامدهایی که هم از نظر اقلیمی و هم اقتصادی جدی‌اند. تقویت پوشش رصدی، توسعه مدل‌های بهتر و حفظ همکاری‌های بین‌المللی از گام‌های ضروری برای فهم و مقابله با این پیامدهاست.

منبع: sciencedaily

ارسال نظر

نظرات

مطالب مرتبط