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麻省理工学院的科学家们构建海洋缺氧水域的3D地图

2021-12-28 09:00 · 稿源: cnbeta

一种新的3D地图可能有助于研究人员跟踪和预测海洋对气候变化的反应。海洋中几乎到处都有生命,除了在某些地方,氧气自然骤降,水域变得不适合大多数有氧生物生存。这些荒凉的水池是“缺氧区”(或称ODZs)。尽管它们只占海洋总体积的不到1%,但它们是一氧化二氮的重要来源,这是一种强效的温室气体。它们的边界也会限制渔业和海洋生态系统的范围。

现在,麻省理工学院的科学家已经生成了世界上最大的ODZs的最详细的3D“地图集”。新“地图集”提供了热带太平洋两个主要缺氧水体的高分辨率地图。这些地图显示了每个ODZ的体积、范围和不同的深度,以及细微的特征,如侵入到其他缺氧区的含氧水带。

该团队使用一种新的方法来处理超过40年的海洋数据,包括由许多研究船和部署在热带太平洋的自主机器人所进行的近1500万次测量。研究人员汇编并分析了这些庞大而精细的数据,以生成不同深度的缺氧区地图。

根据这些地图,研究人员估计了热带太平洋中两个主要的缺氧区的总体积,比以前的努力更精确。第一个区域,从南美洲海岸延伸出来,测量了大约60万立方公里--大约相当于填满2400亿个奥林匹克水池的水量。第二个区域,在中美洲沿海,大约是三倍大。

该地图集可作为今天ODZ位置的一个参考。该团队希望科学家们能够通过持续的测量来增加这个地图集,以更好地跟踪这些区域的变化,并预测它们如何随着气候变暖而转移。

“人们普遍预计,随着气候变暖,海洋将失去氧气。但热带地区的情况更加复杂,那里有大片的缺氧区,”21岁的Jarek Kwiecinski说,他与麻省理工学院地球、大气和行星科学系的Cecil和Ida Green职业发展教授Andrew Babbin一起开发了这个地图集。“创建这些区域的详细地图是很重要的,这样我们就有了未来变化的比较点。”

该团队的研究于12月27日出现在《全球生物地球化学循环》杂志上。

缺氧区是自然发生的大面积、持续的海洋区域,是海洋微生物吞噬下沉浮游植物和周围所有可用氧气的结果。这些区域恰好位于错过洋流的区域,而洋流通常会给这些区域补充含氧的水。因此,ODZ是相对永久性的缺氧水域,可能存在于海面下35米至1000米的海洋中层深度。从某种角度来看,海洋的平均深度为4000米左右。

在过去的40年里,研究船通过把瓶子扔到不同的深度,拖起海水,然后由科学家测量氧气来探索这些地区。

“但是,当你试图测量真正的零氧时,有很多来自瓶子测量的人工制品,” Babbin说。“我们在深度部署的所有塑料都充满了氧气,可以浸出到样品中。当所有的事情都完成后,这种人为的氧气会夸大海洋的真实值。”

该团队没有依赖瓶子样本的测量,而是研究了附着在瓶子外面的传感器或与机器人平台集成的数据,这些传感器可以改变其浮力以测量不同深度的水。这些传感器测量各种信号,包括电流的变化或由光敏染料发出的光的强度,以估计溶解在水中的氧气量。与代表单一离散深度的海水样本不同,这些传感器在水柱中下降时连续记录信号。

科学家们曾试图使用这些传感器数据来估计ODZ中氧气浓度的真实值,但发现准确转换这些信号是非常棘手的,特别是在浓度接近零时。

“我们采取了一种非常不同的方法,使用测量数据不是看它们的真实值,而是看这个值在水体中是如何变化的,”Kwiecinski说。“这样我们就可以识别缺氧水域,而不管一个特定的传感器显示的是什么。”

研究小组推断,如果传感器显示在一个连续的、垂直的海洋部分的氧气值是恒定的、不变的,而不考虑真实的数值,那么这很可能是一个迹象,表明氧气已经见底了,而且这个部分是缺氧区的一部分。

研究人员汇集了近1500万个传感器的测量值,这些测量值是由不同的研究船和机器人浮筒在40年里收集的,并绘制了氧气不随深度变化的区域。Babbin说:“我们现在可以看到太平洋地区缺氧水的分布是如何在三维空间中变化的。”

该小组绘制了热带太平洋中两个主要缺氧区的边界、体积和形状,一个在北半球,另一个在南半球。他们还能够看到每个区域内的细微细节。例如,缺氧的水域"更厚",或更集中在中间,而在每个区域的边缘似乎更薄。

"我们还可以看到差距,在那里看起来像是在浅水区的缺氧水域中有着大的缺口,"Babbin说。“有一些机制将氧气带入这个区域,使它与周围的水相比变得含氧。”

对热带太平洋缺氧区的这种观察比迄今为止所测量的更加详细。Babbin说:“这些缺氧区的边界是如何形成的,以及它们延伸多远,以前都无法解决。现在我们对这两个区域在面积范围和深度方面的比较有了一个更好的想法。”

“这给了你一个可能发生的事情的草图,” Kwiecinski说。“利用这个数据汇编,人们可以做更多的事情来了解海洋的氧气供应是如何被控制的。”

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