机器人浮标首次实现全球海洋碳循环的定量测量 - 什么是海洋测量工具

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2021年8月16日，《自然地球科学》（Nature Geoscience）刊登了一项由蒙特利海湾水族研究所（Monterey Bay Aquarium Research Institute，MBARI）研究人员完成的新研究，揭示了机器人浮标如何变革人们对全球范围内海洋初级生产力的认识。

海洋微生物在海洋乃至地球的健康中起着至关重要的作用。微小的浮游植物利用光合作用消耗二氧化碳，并将其转化为有机物和氧气，这种生物转化过程便是海洋初级生产力。通过将二氧化碳转化为有机物，浮游植物不仅为海洋食物网提供支撑，而且是海洋生物碳泵的第一个环节。借助浮标数据，研究人员能够更准确地评估碳如何从大气进入海洋，同时为全球碳循环提供新的线索。

海洋初级生产力随着气候系统的变化而起伏不定。尽管研究人员基于计算机模型已经做出了海洋浮游植物的初级生产力将在海洋变暖的背景下降低的预测，但是缺乏全球范围内的测量工具以验证模型结果。直接测量海洋生产力需要采集和分析样本。受资源和人力限制，在全球范围内开展季节到年度分辨率尺度上的直接观测充满挑战，且成本极高。卫星遥感和计算机生成的环流模型提供了所需的空间和时间分辨率。尽管卫星可用来绘制初级生产力的全球地图，但这是基于模型而不是直接测量数据。该研究则提出了研究海洋生产力的新方法—漂浮在海洋中的自主机器人。借助这些自主机器人，科学家们能够认识涵盖面积、深度和时间在内的海洋初级生产力，这将极大地变革研究人员对全球海洋年储碳数量的估算能力。

该研究象征着海洋数据采集的一个重要里程碑。生物地球化学浮标（BGC-Argo）能够测量温度、盐度、氧气、pH值、叶绿素和营养物浓度。当科学家们首次部署BGC-Argo时，BGC-Argo可下沉至1000米深度，并开始漂浮。接着，BGC-Argo的自动化编程到达水柱的工作剖面。浮标下降至2000米处，随即上升至海洋表面。浮标到达表面后连接卫星，将数据发送给岸上的科学家，这一过程的周期为10天。获得的浮标数据为研究人员提供了氧气随时间变化的散射测量数据。借助氧气的生成模式，研究人员能够计算全球范围内的初级生产力。

通过测量浮游植物随时间释放的氧气量，研究人员可以估算浮游植物产生的碳量和消耗的二氧化碳量。白天受光合作用影响，氧气量会上升；晚上受呼吸作用影响，氧气量则会下降。如果得到了氧气的每日循环情况，那么就能够测量初级生产力。虽然这一模式众所周知，但该研究首次实现了在全球范围内利用仪器对碳循环进行定量测量，而不是通过模型和其他工具进行估算。然而，剖面浮标每10天才采集一次样本，研究人员因此需要在一天内开展多次测量活动才能得到每日循环。由于每个剖面浮标出现在一天当中不同的时间，因此结合通过300个浮标获得的数据和一天中不同时间段的样本，研究人员可以重建氧气量上升和下降的每日循环，接着计算初级生产力。

研究人员发现浮游植物每年产生大约53拍克（petagrams）的碳，这一测量数据接近最新计算机模型估计的每年52拍克的碳。该研究验证了最近的生物地球化学模型的准确性和可靠性。研究人员称，由于时间序列较短，因此现在无法确定海洋初级生产力是否出现变化。但该研究建立了一个当前的基线，可以从中预测未来的变化。

END参考文献：Constraint on net primary productivity of the global ocean by Argo oxygen measurements. https://www.nature.com/articles/s41561-021-00807-z转载本文请注明来源及作者：中国科学院兰州文献情报中心《国际海洋科技参考》2021年第34期，薛明媚，王金平编译 7 w9 R3 c3 ^' G$ V* O9 Y/ W6 e5 U