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皓天鑫
一種新的3D地圖可能有助于研究人員跟蹤和預測海洋對氣候變化的反應。海洋中幾乎到處都有生命，除了在某些地方，氧氣自然驟降，水域變得不適合大多數(shù)有氧生物生存。這些荒涼的水池是“缺氧區(qū)”(或稱ODZs)。盡管它們只占海洋總體積的不到1%，但它們是一氧化二氮的重要來源，這是一種強效的溫室氣體。它們的邊界也會限制漁業(yè)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的范圍。
現(xiàn)在，麻省理工學院的科學家已經(jīng)生成了世界上最大的ODZs的最詳細的3D“地圖集”。新“地圖集”提供了熱帶太平洋兩個主要缺氧水體的高分辨率地圖。這些地圖顯示了每個ODZ的體積、范圍和不同的深度，以及細微的特征，如侵入到其他缺氧區(qū)的含氧水帶。
該團隊使用一種新的方法來處理超過40年的海洋數(shù)據(jù)，包括由許多研究船和部署在熱帶太平洋的自主機器人所進行的近1500萬次測量。研究人員匯編并分析了這些龐大而精細的數(shù)據(jù)，以生成不同深度的缺氧區(qū)地圖。
根據(jù)這些地圖，研究人員估計了熱帶太平洋中兩個主要的缺氧區(qū)的總體積，比以前的努力更精確。第一個區(qū)域，從南美洲海岸延伸出來，測量了大約60萬立方公里--大約相當于填滿2400億個奧林匹克水池的水量。第二個區(qū)域，在中美洲沿海，大約是三倍大。
該地圖集可作為今天ODZ位置的一個參考。該團隊希望科學家們能夠通過持續(xù)的測量來增加這個地圖集，以更好地跟蹤這些區(qū)域的變化，并預測它們?nèi)绾坞S著氣候變暖而轉(zhuǎn)移。
“人們普遍預計，隨著氣候變暖，海洋將失去氧氣。但熱帶地區(qū)的情況更加復雜，那里有大片的缺氧區(qū)，”21歲的Jarek Kwiecinski說，他與麻省理工學院地球、大氣和行星科學系的Cecil和Ida Green職業(yè)發(fā)展教授Andrew Babbin一起開發(fā)了這個地圖集。“創(chuàng)建這些區(qū)域的詳細地圖是很重要的，這樣我們就有了未來變化的比較點。”
該團隊的研究于12月27日出現(xiàn)在《全球生物地球化學循環(huán)》雜志上。
缺氧區(qū)是自然發(fā)生的大面積、持續(xù)的海洋區(qū)域，是海洋微生物吞噬下沉浮游植物和周圍所有可用氧氣的結(jié)果。這些區(qū)域恰好位于錯過洋流的區(qū)域，而洋流通常會給這些區(qū)域補充含氧的水。因此，ODZ是相對永久性的缺氧水域，可能存在于海面下35米至1000米的海洋中層深度。從某種角度來看，海洋的平均深度為4000米左右。
在過去的40年里，研究船通過把瓶子扔到不同的深度，拖起海水，然后由科學家測量氧氣來探索這些地區(qū)。
“但是，當你試圖測量真正的零氧時，有很多來自瓶子測量的人工制品，” Babbin說。“我們在深度部署的所有塑料都充滿了氧氣，可以浸出到樣品中。當所有的事情都完成后，這種人為的氧氣會夸大海洋的真實值。”
該團隊沒有依賴瓶子樣本的測量，而是研究了附著在瓶子外面的傳感器或與機器人平臺集成的數(shù)據(jù)，這些傳感器可以改變其浮力以測量不同深度的水。這些傳感器測量各種信號，包括電流的變化或由光敏染料發(fā)出的光的強度，以估計溶解在水中的氧氣量。與代表單一離散深度的海水樣本不同，這些傳感器在水柱中下降時連續(xù)記錄信號。
科學家們曾試圖使用這些傳感器數(shù)據(jù)來估計ODZ中氧氣濃度的真實值，但發(fā)現(xiàn)準確轉(zhuǎn)換這些信號是非常棘手的，特別是在濃度接近零時。
“我們采取了一種非常不同的方法，使用測量數(shù)據(jù)不是看它們的真實值，而是看這個值在水體中是如何變化的，”Kwiecinski說。“這樣我們就可以識別缺氧水域，而不管一個特定的傳感器顯示的是什么。”
研究小組推斷，如果傳感器顯示在一個連續(xù)的、垂直的海洋部分的氧氣值是恒定的、不變的，而不考慮真實的數(shù)值，那么這很可能是一個跡象，表明氧氣已經(jīng)見底了，而且這個部分是缺氧區(qū)的一部分。
研究人員匯集了近1500萬個傳感器的測量值，這些測量值是由不同的研究船和機器人浮筒在40年里收集的，并繪制了氧氣不隨深度變化的區(qū)域。Babbin說：“我們現(xiàn)在可以看到太平洋地區(qū)缺氧水的分布是如何在三維空間中變化的。”
該小組繪制了熱帶太平洋中兩個主要缺氧區(qū)的邊界、體積和形狀，一個在北半球，另一個在南半球。他們還能夠看到每個區(qū)域內(nèi)的細微細節(jié)。例如，缺氧的水域"更厚"，或更集中在中間，而在每個區(qū)域的邊緣似乎更薄。
"我們還可以看到差距，在那里看起來像是在淺水區(qū)的缺氧水域中有著大的缺口，"Babbin說。“有一些機制將氧氣帶入這個區(qū)域，使它與周圍的水相比變得含氧。”
對熱帶太平洋缺氧區(qū)的這種觀察比迄今為止所測量的更加詳細。Babbin說：“這些缺氧區(qū)的邊界是如何形成的，以及它們延伸多遠，以前都無法解決。現(xiàn)在我們對這兩個區(qū)域在面積范圍和深度方面的比較有了一個更好的想法。”
“這給了你一個可能發(fā)生的事情的草圖，” Kwiecinski說。“利用這個數(shù)據(jù)匯編，人們可以做更多的事情來了解海洋的氧氣供應是如何被控制的。”
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