Південний океан здається віддаленим кільцем крижаної води на «дні» планети, але його вплив відчувається в усіх великих океанічних басейнах. Нове дослідження, проведене вченими з Bigelow Laboratory for Ocean Sciences і опубліковане в Journal of Geophysical Research: Oceans, показує, що дві характерні для цього регіону водні маси регенерують поживні речовини, які підтримують приблизно три чверті первинної продукції океану на північ від 30‑ї паралелі південної широти. Про роботу розповідає матеріал Scienmag.
Йдеться про субантарктичну модову воду (Subantarctic Mode Water) та антарктичну проміжну воду (Antarctic Intermediate Water). Автори простежили їхню багаторічну подорож від поверхні Південного океану в напрямку екватора і далі та оцінили, як у цих масах відновлюються ключові поживні елементи.
Глобальна «вітряк‑машина» Південного океану
Дослідники порівнюють роботу Південного океану з гігантським «вітряком». Його двигуном є масштабна перекидна циркуляція: під дією потужних вітрів і течій глибинні води піднімаються до поверхні, де зимове перемішування формує окремі водні маси з характерними властивостями.
Частина цієї води знову занурюється під поверхню в процесі, який називають субдукцією. Так починається подорож, що може тривати десятиліттями. Упродовж цього шляху водні маси переносять і перерозподіляють поживні речовини, впливаючи на спільноти фітопланктону в різних частинах Світового океану.
Як виміряти «вік» води за допомогою фреонів
Щоб відстежити, як змінюються ці водні маси з часом, команда вирушила в експедицію на науково-дослідному судні R/V Roger Revelle від Гаваїв до широт поблизу 60‑ї паралелі південної широти. Одним із головних викликів було з’ясувати, як швидко змінюється вода в міру «старіння».
Розв’язати цю задачу допомогли хлорфторвуглеці (CFC) — інертні сполуки, які потрапляли в атмосферу через діяльність людини, насамперед із холодильних і кондиціонерних систем, починаючи з середини ХХ століття. Оскільки виробництво й використання різних холодоагентів змінювалися, змінювалися й концентрації та співвідношення різних типів CFC в атмосфері.
Коли поверхнева океанічна вода формується і занурюється, вона «запам’ятовує» тодішній склад атмосфери за вмістом CFC. Це своєрідний хімічний відбиток, який дозволяє оцінити вік води. Поєднання таких «годинників» із біологічними та хімічними вимірюваннями перетворило статичну картину на динамічний запис того, як швидко відновлюються поживні речовини під час руху водних мас на північ.
Ремінералізація: як органіка знову стає «добривом»
Хоча обидві водні маси зароджуються в Південному океані, вони мають різні фізичні та хімічні характеристики. Під час їхньої подорожі органічна речовина розкладається в процесі ремінералізації, повертаючи поживні елементи у прості неорганічні форми — нітрат, фосфат і силікат. Це базові «добрива» моря, від яких залежить ріст фітопланктону.
Швидкість ремінералізації визначає, скільки кожного елемента накопичується у водній масі за десятиліття та який «коктейль» поживних речовин вона принесе, коли знову підніметься до поверхні в іншому регіоні океану.
Вчені виявили чіткі відмінності між двома типами вод. У субантарктичній модовій воді нітрат і фосфат відновлювалися швидше, ніж в антарктичній проміжній воді. Обидва елементи критично важливі для морської первинної продукції, а азот у формі нітрату часто обмежує ріст фітопланктону.
Натомість ремінералізація силікату відбувалася швидше в антарктичній проміжній воді. Силікат необхідний діатомовим водоростям — великій групі фітопланктону, яка використовує його для побудови склоподібних стінок клітин.
Вплив на фітопланктон і «пам’ять» океану
Такі відмінності в переробці поживних речовин можуть суттєво впливати на структуру фітопланктонних спільнот у різних басейнах. Швидше відновлення азоту й фосфору в субантарктичній модовій воді може підтримувати зростання видів, яким не потрібен силікат, зокрема кокколітофорів і динофлагелят. Водночас посилена регенерація силікату в антарктичній проміжній воді створює перевагу для діатомей.
Оскільки ці дві водні маси мають різні шляхи переробки поживних речовин, вони можуть по-різному впливати на склад і продуктивність фітопланктону залежно від океанічного басейну та навіть від десятиліття.
Дослідження також виявило помітні зміни температури й солоності, пов’язані з віком водних мас. Такі закономірності, ймовірно, відображають умови в Південному океані в момент їхнього формування, зберігаючи «запис» того, як властивості океану змінювалися протягом кількох десятиліть.
Фактично ці водні маси працюють як архіви, що несуть хімічну пам’ять про поверхневі умови, які вони залишили. Автори підкреслюють, що робота об’єднала фізику, хімію та біологію океану, щоб відповісти на фундаментальне запитання: як процеси в Південному океані впливають на життя у світовому океані загалом.
У дослідженні взяли участь науковці Bigelow Laboratory, зокрема Барні Балч (Barney Balch), Девід Дроу (David Drapeau), Санні Пінкхем (Sunny Pinkham) та Брюс Боулер (Bruce Bowler), а також фахівці з кількох інших наукових установ. Роботу підтримав Національний науковий фонд США.