Новое исследование показывает, как гренландские водоросли накапливают углерод в глубинах океана.

Скалистый берег Гренландии. Матильда Кюро | Unsplash

Междисциплинарное исследование впервые подтверждает океанографические пути переноса плавающих макроводорослей из прибрежных вод юго-западной Гренландии в глубоководные углеродные резервуары, потенциально играющие ранее недооцененную роль в глобальном хранении углерода.

Макроводоросли, или морские растения (включая ламинарию), представляют собой высокопродуктивные прибрежные местообитания, способные поглощать значительные количества атмосферного углерода (CO₂). Предыдущие исследования показали, что в глобальном масштабе 4–44 тераграмма (1 Тг = один миллион метрических тонн) углерода, поступающего из макроводорослей, в год могут достигать глубины 200 м, где он может накапливаться в течение как минимум 100 лет.

Однако оценить вклад макроводорослей в долгосрочное хранение углерода с достаточной точностью оказалось непросто из-за таких проблем, как: широкий спектр свойств макроводорослей, которые необходимо учитывать; сложность взаимодействия с физическими океанографическими процессами переноса; и отсутствие научных данных о перемещении и трансформации отделившихся макроводорослей после того, как они покидают прибрежные скалистые берега.

Для восполнения этого пробела в знаниях исследовательская группа, возглавляемая совместно Институтом исследований Балтийского моря им. Лейбница в Варнемюнде и Центром имени Гельмгольца в Хереоне (Германия), а также учеными из Плимутской морской лаборатории, Эксетерского университета (Португалия), Саудовской Аравии и Дании, использовала комбинацию спутниковых снимков, отслеживания океанических дрейфующих аппаратов, численного моделирования и углубленного анализа турбулентности, чтобы продемонстрировать, что обширные скопления макроводорослей могут перемещаться на сотни километров от берега. В конечном итоге эти скопления могут опускаться на большие глубины, где их органический углерод может храниться в течение длительного времени.

Данные, полученные с помощью 305 океанографических устройств мониторинга, плавающих на поверхности и помогающих исследовать океанские течения, а также численные имитационные модели показали, что океанские течения могут переносить плавучие макроводоросли из прибрежных зон в более глубокие воды в масштабах, соответствующих экологическим условиям (в среднем 12–64 дня), часто до того, как произойдет разрушение их структуры.

Эти выводы были подтверждены анализом более 1300 многоспектральных изображений высокого разрешения со спутника Sentinel-2, полученным в рамках программы Copernicus Европейского союза. Эти изображения выявили почти 8000 плавающих скоплений макроводорослей на шельфе Гренландии и в прилегающем Лабрадорском море, подтвердив широкое распространение макроводорослей в прибрежной зоне.

[A] Места расположения плавающих скоплений макроводорослей, обозначенные цветом по месяцам. Также показаны объединенные зоны охвата снимков Sentinel-2 и изобата 1000 м (пунктирная черная линия). Индекс плавающих водорослей [B] и изображение Sentinel-2 в истинных цветах [C] от 19 августа 2020 года, показывающее самое большое отдельное скопление плавающих макроводорослей, обнаруженное на площади 221 900 м2. Вставка на [B] показывает местоположение скопления. © PML

Детальные трехмерные модели океана, созданные с использованием методов моделирования крупных вихрей, дополнительно показали, что зимняя глубоководная океаническая конвекция, при которой интенсивное вертикальное перемешивание обусловлено охлаждением поверхностных вод, может погружать плавающие макроводоросли далеко под поверхность. Под высоким давлением, характерным для этих более глубоких океанических вод, плавучие структуры внутри водорослей разрушаются, заставляя их опускаться и уносить углерод в глубины океана.

© PML

Юго-западная Гренландия была выбрана в качестве объекта исследования, поскольку она представляет собой идеальное место для проверки предположений, лежащих в основе оценок экспорта макроводорослей из прибрежных районов в глубоководные районы. В этом районе на скалистом побережье обильно произрастают макроводоросли, доминирующие виды бурых водорослей плавают при отделении от берега, а другие исследования подтвердили, что ДНК из осадочных пород идентифицирует макроводоросли в отложениях, простирающихся от мелководных прибрежных районов до глубины 1460 м и 350 км от берега. Распространенность макроводорослей в отложениях Гренландии и арктического шельфа, склона и глубоководных районов, с преобладанием бурых водорослей, сохраняется на протяжении тысячелетий, что свидетельствует о том, что экспорт макроводорослей из Гренландии способствует долгосрочному захоронению углерода в Арктике.

Для будущих исследований группа рекомендует провести крупномасштабное междисциплинарное исследование, чтобы изучить три основных процесса, приводящих к перемещению плавающих макроводорослей из прибрежных источников в потенциальные места их обитания в Лабрадорском море: 1) отрыв; 2) перемещение в открытое море поверхностными течениями; 3) вертикальное перемещение.

Для достижения этой цели необходимо экспериментально определить продолжительность пребывания на плаву и скорость подъема доминирующих видов плавающих макроводорослей, а также скорость их погружения после разрушения плавучих структур. Аналогичным образом, необходимо определить глубину, на которой происходит разрушение плавучих структур, чтобы разработать надежные параметризации вертикального экспорта.