Их исследование, опубликованное 5 июня в журнале Nature Communications, предполагает, что гидротермальные жерла – отверстия на морском дне, из которых фонтанируют раскаленные горячие потоки богатой минералами жидкости – могут влиять на жизнь у поверхности океана и глобальный цикл углерода в большей степени, чем считалось ранее.
Матье Ардина, научный сотрудник и ведущий автор исследования, сказал, что исследование предоставляет первые наблюдаемые доказательства того, что железо из глубин Южного океана превращает обычно анемичные поверхностные воды в горячие точки для фитопланктона – крошечных водорослей, которые поддерживают морскую пищевую сеть, тянут тепло. -улавливает углекислый газ из воздуха и производит огромное количество кислорода, которым мы дышим. «Наше исследование показывает, что железо из гидротермальных источников может подниматься вверх, преодолевать сотни миль открытого океана и позволять фитопланктону процветать в некоторых очень неожиданных местах», – сказал он.
Кевин Арриго, профессор наук о Земле и старший автор статьи, назвал результаты «важными, потому что они показывают, насколько тесно связаны глубинный океан и поверхностный океан."
Таинственные цветы
Фитопланктону для жизни необходимо железо, а это ограничивает их численность на обширных участках океана, где концентрация питательных веществ низка. Но при подходящих условиях фитопланктон также может стремительно расти, расцветая на тысячи квадратных миль за считанные дни.
Это то, что недавно заметил Ардайна, когда он смотрел на данные, записанные в 2014 и 2015 годах флотом плавающих роботов, оснащенных оптическими датчиками, в Южном океане. Более чем в 1300 милях от побережья Антарктиды и в 1400 милях от африканского континента, два неожиданно больших цветения возникли в районе, известном острой нехваткой железа и низкой концентрацией хлорофилла, индикатора популяций фитопланктона.
Массовое цветение в этом регионе возможно только при притоке железа. Ардина и Арриго быстро исключили наиболее распространенные источники океана, включая континентальные шельфы, тающий морской лед и атмосферную пыль, которые были просто слишком далеко, чтобы иметь большое влияние.
Это заставило их заподозрить, что питательное вещество должно поступать снизу, возможно, из ряда гидротермальных жерл, которые усеивают срединно-океанический хребет в 750 милях от того места, где необъяснимым образом появились массивные цветы. Чтобы помочь проверить свою гипотезу, они наняли международную команду сотрудников, специализирующихся на различных аспектах океанографии и моделирования.
«Давно известно, что гидротермальные источники создают уникальные и глубокие оазисы жизни», – сказал Ардайна. До недавнего времени ученые в целом полагали, что этот питательный эффект остается довольно локальным.
Но растущее количество данных компьютерного моделирования динамики океана намекает на то, что железо и другие элементы жизнеобеспечения, извергаемые из гидротермальных источников, на самом деле могут подпитывать планктонное цветение на гораздо более обширных территориях.
Однако прямые измерения отсутствовали.
В Южном океане это частично из-за удаленности, экстремального холода и бурного моря, которые затрудняют изучение или сбор точных данных. «Чтобы увидеть эти цветы, ваши датчики должны быть в нужном месте в нужное время», – сказала Ардайна. "Спутники могут недооценивать интенсивность или вообще пропускать их из-за плохого покрытия или сильного перемешивания водяного столба, что выталкивает фитопланктон слишком глубоко, чтобы спутники могли его увидеть."
Подсказки из космоса, летающие роботы
Чтобы отследить поток частиц из жерл на срединно-океаническом хребте, ученые проанализировали данные со спутников, измеряющих хлорофилл, и с автономных буев с датчиками, известных как поплавки Арго. Когда они ныряют и дрейфуют по океанским течениям, некоторые из этих буев обнаруживают хлорофилл и другие заместители биомассы фитопланктона. «Поплавки дают нам ценные и уникальные данные, охватывающие большую часть водной толщи на глубине до 1000 метров в течение всего годового цикла», – сказал Ардайна.
Ученые не могли напрямую измерить железо в воде, но вместо этого проанализировали измерения гелия, собранные во время научных круизов в 1990-х годах. Присутствие гелия сигнализирует о водах, находящихся под влиянием гидротермальных источников, через которые проходит большое количество первичного гелия из-под земной коры.
Данные по хлорофиллу, фитопланктону и гелию предполагают, что мощное течение, циркулирующее над Антарктидой, захватывает питательные вещества, поднимающиеся из жерл. Две бурные, быстро движущиеся ветви течения затем переносят питательные вещества на восток в течение месяца или двух, прежде чем подавать их как банкет для недоедающего фитопланктона. По словам Арриго, который также является Дональдом и Дональдом М. Стальной профессор наук о Земле.
Со временем цветы дрейфуют на восток, в сторону нынешних гонок вокруг Антарктиды, и тускнеют по мере того, как морские существа пожирают их. «Мы подозреваем, что эти горячие точки либо потребляются, либо экспортируются в глубокие воды», – сказал Ардайна.
Каждое цветение длится немногим больше месяца, но механизмы, запускающие их, вероятно, будут более распространены в мировом океане, чем предполагали ученые ранее.
«Гидротермальные источники разбросаны по всему дну океана», – сказала Ардайна. Знание путей, по которым питательные вещества попадают в поверхностные воды, поможет исследователям делать более точные расчеты потока углерода в мировом океане. "Еще многое предстоит сделать для выявления других потенциальных горячих точек и количественной оценки того, как этот механизм изменяет углеродный цикл."