微观海洋生物对海洋乃至地球的健康起着至关重要的作用。就像陆地上的植物一样，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。这种生物转化被称为海洋初级生产力。
在今天自然地球科学的一项新研究中，MBARI 高级科学家 Ken Johnson 和前 MBARI 博士后研究员 Mariana Bif 展示了一组机器人浮标如何在全球范围内彻底改变我们对海洋初级生产力的理解。
这些漂浮物收集的数据将使科学家能够更准确地估计碳如何从大气流向海洋，并为全球碳循环提供新的线索。浮游植物生产力的变化会产生深远的影响，比如影响海洋储存碳的能力和改变海洋食物网。面对不断变化的气候，了解海洋在从大气中吸收碳并长期储存碳方面的作用势在必行。
“基于不完善的计算机模型，我们预测海洋浮游植物的初级生产将在温暖的海洋中减少，但我们没有办法进行全球尺度的测量来验证模型。现在我们做到了，”MBARI 高级科学家说肯·约翰逊。
通过将二氧化碳转化为有机物，浮游植物不仅支持海洋食物网，而且是海洋生物碳泵的第一步。
浮游植物消耗大气中的二氧化碳并用它来建造它们的身体。海洋生物吃掉这些浮游植物，死亡，然后沉入深海海底。这种有机碳逐渐被细菌呼吸成二氧化碳。由于很多这种情况发生在很深的地方，因此碳会长时间远离大气。这个过程将碳隔离在深海水团和沉积物中，并且是模拟现在和未来地球气候的重要组成部分。
海洋初级生产力随着气候系统的变化而起起落落。“我们可能预计全球初级生产力会随着气候变暖而改变，”约翰逊解释说。“它可能在某些地方上涨，在其他地方下跌，但我们无法很好地把握这些将如何平衡。”监测初级生产力对于了解我们不断变化的气候至关重要，但观察全球范围内的反应一直是一个重大问题。
直接测量海洋中的生产力需要收集和分析样本。资源和人力的限制使得在全球范围内进行直接观察，季节性到年度分辨率具有挑战性且成本高昂。相反，卫星遥感或计算机生成的环流模型提供了所需的空间和时间分辨率。“卫星可用于绘制初级生产力的全球地图，但这些值是基于模型而不是直接测量值，”约翰逊警告说。
“科学家估计地球上大约一半的初级生产力发生在海洋中，但测量的稀疏性还不能给我们一个可靠的全球海洋估计，”生物地球化学海洋学家、MBARI 前博士后研究员 Mariana Bif 补充道。现在，科学家们有了研究海洋生产力的新选择——成千上万的自主机器人在海洋中漂流。
这些机器人让科学家们得以一瞥跨区域、深度和时间的海洋初级生产力。它们正在极大地改变我们估计全球海洋每年积累多少碳的能力。例如，印度洋和南太平洋中部是科学家对初级生产力知之甚少的地区。但随着生物地球化学-Argo (BGC-Argo) 浮标在全球范围内的部署，这种情况发生了变化。
“这项工作代表了海洋数据采集的一个重要里程碑，”Bif 强调说。“它展示了我们可以在不实际前往海洋的情况下从海洋中收集多少数据。”
BGC-Argo 分析浮标测量温度、盐度、氧气、pH 值、叶绿素和营养物质。当科学家首次部署 BGC-Argo 浮标时，它会下沉至 1,000 米(3,300 英尺)深并在此深度漂流。然后，它的自主编程开始分析水柱。浮子下降到 2,000 米(6,600 英尺)，然后上升到水面。一旦浮出水面，浮标就会与卫星通信，将其数据发送给岸上的科学家。然后每 10 天重复此循环。
在过去的十年中，越来越多的 BGC-Argo 浮标一直在全球海洋进行测量。花车每年捕获数千份资料。这些数据为 Johnson 和 Bif 提供了随着时间的推移对氧气的分散测量。
了解氧气生产模式后，Johnson 和 Bif 能够计算全球范围内的净初级生产力。
在光合作用过程中，浮游植物以一定比例消耗二氧化碳并释放氧气。通过测量浮游植物随时间释放多少氧气，研究人员可以估计浮游植物产生多少碳以及它们消耗多少二氧化碳。“由于光合作用，白天氧气增加，晚上由于呼吸而减少——如果你能获得每日氧气循环，你就可以衡量初级生产力，”约翰逊解释说。虽然这是一个众所周知的模式，但这项工作代表了第一次在全球范围内通过仪器进行定量测量，而不是通过建模和其他工具进行估计。
但是分析浮标每 10 天仅采样一次，Johnson 和 Bif 需要在一天内进行多次测量才能获得每日周期。一种分析漂浮数据的新方法使 Johnson 和 Bif 能够计算海洋初级生产力。随着每个分析浮标在一天中的不同时间出现，将来自 300 个浮标的数据和一天中不同时间的样本结合起来，让 Johnson 和 Bif 能够重新创建氧气上升和下降的每日循环，然后计算初级生产力。
为了确认从 BGC-Argo 浮标计算的初级生产力估计的准确性，约翰逊和 Bif 将他们的浮标数据与两个地区的船基采样数据进行了比较——夏威夷海洋时间序列 (HOT) 站和百慕大大西洋时间-系列站(BATS)。从这些地区附近的剖面浮标获得的数据与多年来在这两个地点的船舶上每月采样的结果相似。
Johnson 和 Bif 发现浮游植物每年产生大约 53 拍克的碳。该测量值接近最新计算机模型估计的每年 52 拍克碳。(一拍克是 1,000,000,000,000 公斤，或 1 亿吨，大约相当于 2 亿头大象的重量。)这项研究验证了最近的生物地球化学模型，并强调了这些模型的稳健性。
来自 BGC-Argo 浮标的高分辨率数据可以帮助科学家更好地校准计算机模型以模拟生产力并确保它们代表真实世界的海洋条件。这些新数据将使科学家能够通过模拟温度升高、浮游植物生长变化、海洋酸化和营养物质变化等不同情景，更好地预测海洋初级生产力将如何应对海洋变化。随着更多漂浮物的部署，Johnson 和 Bif 预计他们的研究结果可以更新，从而减少不确定性。
“我们还不能说海洋初级生产力是否发生了变化，因为我们的时间序列太短了，”Bif 警告说。“但它建立了一个当前的基线，我们可以从中检测到未来的变化。我们希望我们的估计将被纳入模型，包括那些用于卫星的模型，以提高它们的性能。”
但已经证明，来自这些浮标的大量数据对于更好地了解海洋初级生产力以及地球气候与海洋的关系是非常宝贵的。
BGC-Argo 浮标对南大洋碳和气候观测与建模项目 (SOCCOM) 发挥了重要作用，该项目由 NSF 赞助，旨在解开南大洋的奥秘并确定其对气候的影响。去年标志着全球海洋生物地球化学阵列 (GO-BGC 阵列) 项目的首次亮相，该项目将使科学家能够探索有关海洋生态系统的基本问题，观察生态系统的健康和生产力，并监测碳、氧和氮的元素循环一年四季都在海洋中。
这些全球合作倡议收集的信息为改进海洋渔业和气候的计算机模型以及监测和预测海洋变暖和海洋酸化对海洋生物的影响提供了必不可少的数据。
这项工作得到了全球海洋生物地球化学阵列项目 (NSF OCE-1946578)、南大洋碳和气候观测与建模项目 (NSF PLR-1425989 和 OPP-1936222) 以及大卫和露西尔帕卡德基金会的支持。赤道太平洋的剖面浮标得到了美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 授予华盛顿大学 NA16OAR4310161 的支持。
