Мировой океан – одновременно и система, испытывающее воздействие изменения климата и оказывающая воздействие на динамику климата на планете. Одним из факторов, играющих в этих взаимодействиях значительную роль является фитопланктон – сообщество мельчайших растительных организмов, населяющих верхний слой Мирового океана. Состав фитопланктонного сообщества – разнообразен, и каждый представитель этого сообщества по-своему участвует в упомянутых выше взаимодействиях.

Настоящий проект посвящен особой группе морского фитопланктона – кокколитофорам – одноклеточным микроводорослям, покрытыми слоем чешуек.

Примеры цветений в разных морях, вид из космоса

Эта особенность заключается в том, что в процессе своего жизненного цикла, кокколитофоры выступают не только как первичные производители органического углерода (в ходе процесса фотосинтеза), что присуще всем без исключения видам фитопланктона, но и производителя (в ходе реакции кальцифицирования) неорганического взвешенного углерода в виде углекислого кальция - кальцита. Упомянутые выше чешуйки и образованы кальцитом. На определенном этапе жизненного цикла чешуйки отделяются от тела клетки и начинают парить в водной среде, медленно опускаясь в более глубокие слои океана/моря, постепенно растворяясь/диссоциируя в морскую среду CO2. Последний по механизмам диффузии и вертикальных движений направляется к поверхности моря. Таким образом, результирующее химическое влияние цветений E. huxleyi сказывается не только в поверхностных водах, но и по глубине океана.

Примечательно, что помимо продуцирования органического и неорганического углерода, кокколитофоры, благодаря реакции кальцифицирования, способствуют увеличению содержания в поверхностном слое океана растворенного углерода, иными словами – увеличения парциального давления СО2. В совокупности, все три процесса обусловливают изменение состояние общего углеродного баланса в водной среде обитания кокколитофоров. Очевидно, что упомянутые выше изменения в балансе углерода в поверхностном слое мирового океана с неизбежностью приводят (по механизмам прямых и обратных связей) к важным сдвигам как в самой морской экосистеме, так и в обмене СО2 между атмосферой и водной средой.

Районирование цветений кокколитофоров в Баренцевом море за период 1998-2016 гг.

Поскольку уровень содержания СО2 в атмосфере является важным фактором, способным определять тепловые потоки между земной поверхностью и океаном (СО2 по этой причине называют парниковым газом), и, следовательно - статус-кво климата на нашей планете. Таким образом можно ожидать, что влияние жизнедеятельности кокколитофоров должно проявляться как в отношении водной экологии, так и динамике климата. Учитывая, что для массовых развитий кокколитофоров (называемых “цветенями”) характерны огромные размеры, и что они происходят во всему Мировому океану, т. е. как в южном, так и северном полушариях, оценка упомянутых выше воздействий представляет собой весьма актуальную научную задачу. При этом важно получение именно количественной оценки и на весьма значительных пространственных и временных масштабах с тем, чтобы такого рода данные были бы действительно репрезентативны для Мирового океана и планеты в целом.

При всех неоспоримых достоинствах судовых исследований, предпочтительность применения спутниковых средств получения искомой информации очевидна. Именно спутники могут дать количественные данные по огромной площади Мирового океана как по пространственной и межгодовой изменчивости, так и по локализации областей цветения кокколитофоров, а также моментов возникновения и продолжительности этого явления. Помимо этого, вся эта обширная спутниковая информация доступна за довольно продолжительный период новейшей истории, что является принципиально важным для детального и феноменологически обоснованного выявления основных механизмов изменений в окружающей среде в целом и экологии кокколитофоров в частности. И именно спутниковые средства могут дать информацию о степени влияния цветений кокколитофоров (прежде всего Emiliania huxleyi) на содержание парциального давления парникового газа CO2 в земной атмосфере.

Цветение кокколитофоров в Баренцевом (a) и Северном (b) морях по данным OC CCI

Важно, что в группе кокколитофоров выделяются Emiliania huxleyi и Gephyrocapsa oceanica - микроводоросли, отличающиеся чрезвычайно высокой способностью продуцировать кальцит преимущественно в открытых, но также и прибрежных морских акваториях. При этом наиболее распространенной оказывается именно Emiliania huxleyi. Именно этот таксон и был положен во главу угла настоящего проекта.

Исходя из сказанного выше, задачами данного проекта стали:

1. Индентификация областей цветения Emiliania huxleyi
2. Высокоточные количественные оценки:
  2.1. площади цветения
  2.2. продукции неорганического углерода в зоне цветения в перемешанном слое
  2.3. парциального давления CO2 в поверхностном слое ареала цветения
  2.4. изменения парциального давления CO2 в атмосферном слое непосредственно над ареалом цветения

При этом в задачу проекта вошло также получение пространственно-временных рядов изменчивости полученных характеристик цветений.

Для выяснения условий, способствующих или препятствующих массовым цвентениям этой водоросли, в круг исследований включены морские акватории, расположенные на различных широтах и меридианах и, следовательно, различных океанах: Атлантика, Арктика и Тихий океан. При этом основной акцент сделан на субартических и арктических морях.

Очевидно, что выполнение указанных задач связано с разработкой специальных алгоритмов извлечения необходимой информации из спутниковых данных, что представляет собой отдельную и весьма сложную задачу. Это, естественно, предусмотрено планом проекта. В результате выполнения проекта будут получены уникальные данные за период 1997-2019 гг. Эти данные будут проанализированны на предмет причинно-следственных связей между этим явлением и внешними (по отношению к области цветения Emiliania huxleyi) воздействиями. В завершение будет осуществлен прогноз дальнешей динамики исследованного феномена в условиях происходящих климатических изменений на высоких широтах.