Estudo de Aerossóis do Atlântico Norte e Ecossistemas Marinhos - North Atlantic Aerosols and Marine Ecosystems Study

Logotipo do projeto Estudo de Aerossóis do Atlântico Norte e Ecossistemas Marinhos (NAAMES). Imagem cortesia da NASA.

O Estudo de Aerossóis do Atlântico Norte e Ecossistemas Marinhos ( NAAMES ) foi um programa de pesquisa científica de cinco anos que investigou aspectos da dinâmica do fitoplâncton em ecossistemas oceânicos e como essa dinâmica influencia aerossóis atmosféricos , nuvens e clima. O estudo se concentrou na região subártica do Oceano Atlântico Norte, que é o local de uma das maiores florações fitoplanctônicas recorrentes da Terra. A longa história de pesquisa neste local, bem como a relativa facilidade de acessibilidade, fizeram do Atlântico Norte um local ideal para testar as hipóteses científicas predominantes em um esforço para compreender melhor o papel das emissões de aerossóis do fitoplâncton no orçamento de energia da Terra.

O NAAMES foi liderado por cientistas da Oregon State University e da National Aeronautics and Space Administration (NASA). Eles conduziram quatro campanhas de campo de 2015-2018 que foram projetadas para atingir fases específicas do ciclo fitoplanctônico anual: mínimo, clímax, biomassa decrescente intermediária e biomassa intermediária crescente. As campanhas foram projetadas para observar cada fase única, a fim de resolver os debates científicos sobre o momento das formações de floração e os padrões que impulsionam a recriação de floração anual. O projeto NAAMES também investigou a quantidade, tamanho e composição dos aerossóis gerados pela produção primária , a fim de compreender como os ciclos de floração afetam as formações de nuvens e o clima. Os cientistas empregaram vários métodos de pesquisa complementares, incluindo amostragem de campo intensiva por meio de navios de pesquisa, amostragem de aerossol aerossol via avião e sensoriamento remoto via satélites.

As descobertas do NAAMES, embora ainda sejam divulgadas, lançaram luz sobre aerossóis e núcleos de condensação de nuvens, ciclos anuais do fitoplâncton, fisiologia do fitoplâncton e biologia de mesoescala. Vários avanços metodológicos também foram publicados, incluindo novos algoritmos de sensoriamento remoto e avanços em sensoriamento remoto por satélite.

Fundo

Hipóteses concorrentes de florescimento de plâncton

Hipóteses científicas concorrentes da variabilidade do plâncton. Figura adaptada de. Cortesia da NASA.gov

NAAMES procurou compreender melhor o impacto das emissões de bioaerossol na dinâmica das nuvens e no clima. Ele também teve como objetivo testar duas hipóteses concorrentes sobre a proliferação de plâncton:

Hipótese de profundidade crítica - uma visão baseada em recursos

A hipótese de profundidade crítica é uma visão baseada em recursos dos florescimentos fitoplanctônicos anuais do Atlântico Norte. É a explicação tradicional para a causa do florescimento na primavera e foi documentado como um conceito fundamental em livros didáticos de oceanografia por mais de 50 anos. Ele se concentra nas condições ambientais necessárias para iniciar uma floração, como nutrientes elevados, mistura mais rasa, luz aumentada e temperaturas mais quentes.

O argumento central para a hipótese da profundidade crítica é que as florações são uma consequência do aumento das taxas de crescimento do fitoplâncton resultante do rebaixamento da camada mista acima da profundidade crítica. A profundidade crítico é uma profundidade de mistura superfície onde fitoplâncton biomassa crescimento é igual a perda de biomassa de fitoplâncton. Nessa hipótese, as perdas são constantes e independentes do crescimento. O declínio na biomassa pode ser devido ao pastoreio , afundamento, diluição, mistura vertical, infecção ou parasitismo . Quando a camada mista da superfície se torna mais rasa do que a profundidade crítica, o início da floração sazonal ocorre devido ao crescimento do fitoplâncton que excede a perda. Existe uma correlação do crescimento do fitoplâncton com os aumentos de luz, temperatura e estratificação mais rasos na primavera.

O aquecimento do clima pode aumentar a estratificação ou diminuir a profundidade da camada mista durante o inverno, o que aumentaria a floração primaveril ou aumentaria a biomassa do fitoplâncton se esta hipótese governasse a dinâmica da floração do fitoplâncton na primavera. Uma crítica primária a essa visão baseada em recursos é que os florescimentos da primavera ocorrem na ausência de estratificação ou cardume da camada mista.

Hipótese de diluição-recoupling - uma visão baseada no ecossistema

A hipótese de diluição-recoupling é uma visão baseada no ecossistema da floração anual do fitoplâncton no Atlântico Norte. Esta hipótese enfoca os processos físicos que alteram o equilíbrio entre o crescimento e o pastejo. A floração da primavera é considerada uma característica de um ciclo anual, e outras características durante o ciclo “preparam o terreno” para que essa floração ocorra.

Esta visão baseada no ecossistema é baseada em um experimento de diluição onde a adição de água do mar dilui predadores, mas não altera o crescimento do fitoplâncton. Assim, as taxas de crescimento aumentam com a diluição. Embora o efeito de diluição seja transitório, as interações predador-presa podem ser mantidas se a taxa de adição de água for igual à taxa de crescimento. O aprofundamento da camada mista superficial dilui as interações predador-presa e desacopla o crescimento e o pastejo. Quando a camada mista para de se aprofundar, o aumento na taxa de crescimento torna-se aparente, mas agora o crescimento e o pastoreio tornam-se novamente acoplados. O rebaixamento da camada mista concentra os predadores, aumentando assim a pressão de pastejo. No entanto, o aumento na disponibilidade de luz neutraliza a pressão de pastejo, o que permite que as taxas de crescimento permaneçam altas. No final da primavera, quando a camada mista é ainda mais rasa, o esgotamento de nutrientes ou o sobrepastoreio encerram a floração - as perdas excedem o crescimento neste ponto do ciclo.

O aquecimento do clima aumentaria a estratificação e suprimiria a mistura de inverno que ocorre com o aprofundamento da camada mista. A supressão da mistura de inverno diminuiria a biomassa fitoplanctônica sob esta hipótese.

Processos oceanográficos físicos

Debate de profundidade de camada mista

Redemoinhos mesoescala

Os redemoinhos anticiclônicos giram no sentido horário e os redemoinhos ciclônicos giram no sentido anti-horário. Os processos de ressurgência e ressurgência no oceano aberto levam a um núcleo quente em redemoinhos anticiclônicos e a um núcleo frio em redemoinhos ciclônicos.

Os redemoinhos de mesoescala desempenham um papel significativo na modulação da profundidade de camada mista (MLD). As flutuações criadas por redemoinhos de mesoescala modulam os nutrientes na base da camada mista. Essas modulações, junto com a disponibilidade de luz, impulsionam a abundância de fitoplâncton na região. A disponibilidade de fitoplâncton afeta significativamente a cadeia alimentar marinha e a saúde dos oceanos.

As correntes rápidas na Corrente do Golfo serpenteiam e se comprimem para criar redemoinhos. Esses redemoinhos retêm as propriedades físicas de sua massa de água original (por exemplo, temperatura, densidade, salinidade e outras propriedades dinâmicas do oceano) quando se separam. À medida que os redemoinhos migram, suas propriedades físicas mudam à medida que se misturam com a água circundante. Na Corrente do Golfo, os redemoinhos migratórios são conhecidos como redemoinhos anticiclônicos ou ciclônicos com base na direção em que giram (sentido horário vs. sentido anti-horário). Os dois redemoinhos diferem em movimento, propriedades físicas e, conseqüentemente, seus efeitos na biologia e na química do oceano.

A força de Coriolis combinada com correntes de alta velocidade impulsionam o movimento parasita. Esse movimento cria uma "protuberância", ou seja, altura da superfície do mar elevada (SSH) no centro dos redemoinhos anticiclônicos. Em contraste, redemoinhos ciclônicos exibem um baixo SSH no centro. O SSH, tanto no anticiclônico quanto no ciclônico, diminui e aumenta, respectivamente, à medida que a distância do centro aumenta. Ressurgência e subsidência processos nos turbilhões criar um núcleo frio e quente. A ressurgência no redemoinho anticiclônico impede que a água mais fria entre na superfície, criando assim um núcleo quente no centro . Enquanto no redemoinho ciclônico, a ressurgência arrasta água fria profunda e forma um núcleo frio.

Estudos anteriores mostram os efeitos de aprofundamento de MLD em redemoinhos anticiclônicos e rebaixamento de MLD em redemoinhos ciclônicos. Esses fenômenos podem ser devidos ao aumento da perda de calor para a atmosfera em redemoinhos anticiclônicos. Esta perda de calor causa o afundamento de água densa, conhecida como mistura convectiva, e o aprofundamento do MLD. Em contraste, em redemoinhos ciclônicos, a temperatura da água no núcleo é menos fria do que no redemoinho anticiclônico. Isso, portanto, não leva ao aprofundamento do MLD. Estudos realizados na região por meio de uma rede de Flutuadores Argo e simulações de modelos criadas por meio de dados de satélite têm mostrado casos de fenômenos opostos. O aprofundamento e a redução da DLM por meio de redemoinhos são onipresentes e variam sazonalmente. Essas anomalias são mais significativas no inverno. Assim , o papel dos redemoinhos de mesoescala em MLD é complexo, e uma função de processos simultâneos onde correntes induzidas por cisalhamento de vento aumentadas contribuem para uma redução do MLD em redemoinhos anticiclônicos.

Processos Atmosféricos Relevantes

Camada Limite Marinha

A camada limite marinha (MBL) é a parte da atmosfera em contato direto com a superfície do oceano. O MBL é influenciado pela troca de calor, umidade, gases, partículas e momentum, principalmente por meio de turbulência. O MBL é caracterizado pela formação de células convectivas (ou fluxo vertical de ar) acima da superfície do oceano, o que perturba a direção do vento médio de superfície e gera textura, rugosidade e ondas na superfície do mar. Existem dois tipos de camadas limite. Uma é uma camada convectiva estável encontrada entre os 100m inferiores da atmosfera, estendendo-se até aproximadamente 3 km de altura, e é chamada de camada limite convectiva (CBL). A outra camada limite se forma como resultado de uma inversão atmosférica da superfície . Isso geralmente ocorre mais perto da superfície, na ausência de turbulência e mistura vertical, e é determinado através da interpretação de perfis verticais de umidade e temperatura. O MBL é frequentemente um fenômeno localizado e temporalmente dinâmico e, portanto, sua altura na coluna de ar pode variar consideravelmente de uma região para outra, ou mesmo ao longo de alguns dias. O Atlântico Norte é uma região onde nuvens MBL diversas e bem formadas são comumente formadas, e onde a altura da camada MBL pode estar entre 2,0 e 0,1 km de altura.

Processos Atmosféricos Regionais

Os ventos de oeste são ventos predominantes nas latitudes médias (entre 35 e 65 graus de latitude), que sopram nas regiões ao norte ou ao sul das regiões subtropicais de alta pressão do mundo. Conseqüentemente, os aerossóis amostrados sobre o Oceano Atlântico Norte serão influenciados por massas de ar originárias da América do Norte e, portanto, serão caracterizados pelas entradas naturais terrestres e antropogênicas. Relevantes para o NAAMES são as emissões da indústria e dos ambientes urbanos no leste da América do Norte, que emitem quantidades substanciais de sulfatos, carbono negro e compostos aromáticos. Essas substâncias podem ser transportadas por centenas de quilômetros no mar. Esta contribuição das influências continentais pode criar um sinal falso positivo nos sinais de fluorescência biológica que estão sendo medidos e pode afetar as propriedades microfísicas das nuvens no Oceano Atlântico Norte aberto. Além disso, aerossóis como o carbono negro misturado com dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa são emitidos por meio da combustão imparcial de combustíveis fósseis de motores de navios. Esses hidrocarbonetos não queimados estão presentes na camada limite marinha do Atlântico Norte e na maioria das outras regiões oceânicas remotas. À medida que essas partículas envelhecem ou são quimicamente transformadas em função do tempo no ar, elas podem alterar as propriedades microfísicas e químicas à medida que reagem com outras partículas transportadas pelo ar.

Papel dos aerossóis

Distribuição do tamanho do aerossol e seus modos associados de acumulação ou remoção da atmosfera. Diagrama original e adaptado por.

Aerossóis

Aerossóis são partículas muito pequenas, sólidas ou gotículas líquidas suspensas na atmosfera ou dentro de outro gás e são formadas por processos naturais ou por ações humanas. Os aerossóis naturais incluem cinzas vulcânicas, partículas biológicas e poeira mineral, bem como carbono negro da combustão natural da biomassa, como incêndios florestais. Aerossóis antropogênicos são aqueles que foram emitidos por ações humanas, como queima de combustível fóssil ou emissões industriais. Os aerossóis são classificados como primários ou secundários, dependendo se foram emitidos diretamente para a atmosfera (primário) ou se reagiram e mudaram de composição (secundário) após serem emitidos de sua fonte. Os aerossóis emitidos pelo ambiente marinho são um dos maiores componentes dos aerossóis naturais primários. Os aerossóis marinhos primários interagem com a poluição antropogênica e, por meio dessas reações, produzem outros aerossóis secundários.

Representação do efeito direto e primeiro indireto dos aerossóis no albedo das nuvens e, portanto, no equilíbrio radiativo da Terra.

Um dos componentes mais significativos, embora incertos, dos modelos preditivos de mudanças climáticas é o impacto dos aerossóis no sistema climático. Os aerossóis afetam o equilíbrio da radiação da Terra direta e indiretamente. O efeito direto ocorre quando as partículas de aerossol se espalham, absorvem ou exibem uma combinação dessas duas propriedades ópticas ao interagir com a radiação solar e infravermelha que chega na atmosfera. Aerossóis que normalmente dispersam a luz incluem sulfatos, nitratos e algumas partículas orgânicas, enquanto aqueles que tendem a exibir uma absorção líquida incluem poeira mineral e carbono negro (ou fuligem). O segundo mecanismo pelo qual os aerossóis alteram a temperatura do planeta é chamado de efeito indireto, que ocorre quando as propriedades microfísicas de uma nuvem são alteradas, causando um aumento na reflexão da radiação solar incidente ou uma inibição da capacidade das nuvens de desenvolver precipitação. O primeiro efeito indireto é um aumento na quantidade de gotículas de água, o que leva a um aumento de nuvens que refletem mais a radiação solar e, portanto, resfriam a superfície do planeta. O segundo efeito indireto (também chamado de efeito de vida da nuvem) é o aumento no número de gotas, que simultaneamente causa um aumento no tamanho das gotas e, portanto, menos potencial para precipitação. Ou seja, gotículas menores significam que as nuvens vivem mais e retêm maior conteúdo de água líquida, o que está associado a taxas de precipitação mais baixas e albedo de nuvem mais alto . Isso destaca a importância do tamanho do aerossol como um dos principais determinantes da quantidade de aerossol na atmosfera, como os aerossóis são removidos da atmosfera e as implicações desses processos no clima . Partículas finas são geralmente aquelas abaixo de 2 micrômetros (μm) de diâmetro. Dentro desta categoria, a faixa de partículas que se acumulam na atmosfera (devido à baixa volatilidade ou ao crescimento da condensação dos núcleos) é de 0,1-1 μm e geralmente são removidas do ar por deposição úmida . A deposição úmida pode ser precipitação, neve ou granizo. Por outro lado, partículas grossas, como borrifos antigos e partículas derivadas de plantas, são removidas da atmosfera por deposição seca . Esse processo às vezes também é chamado de sedimentação. No entanto, diferentes tipos de aerossóis orgânicos biogênicos apresentam diferentes propriedades microfísicas e, portanto, seus mecanismos de remoção do ar dependerão da umidade. Sem uma melhor compreensão dos tamanhos e composição dos aerossóis no Oceano Atlântico Norte, os modelos climáticos têm capacidade limitada de prever a magnitude do efeito de resfriamento dos aerossóis no clima global.

Contribuição de aerossóis e gases na atmosfera para o forçamento radiativo da Terra. Esta é a Figura 8.17 do relatório do Grupo de Trabalho 1 Firth Assessment (AR5) do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC). Observe o efeito líquido de resfriamento dos sulfatos.

Aerossóis de spray marinho

Embora a quantidade e a composição das partículas de aerossol na atmosfera marinha sejam originárias de fontes continentais e oceânicas e possam ser transportadas por grandes distâncias, os aerossóis de pulverização do mar recém-emitidos (SSA) constituem uma das principais fontes de aerossóis primários, especialmente de moderados e fortes ventos. A emissão global estimada de aerossóis de sal marinho puro é da ordem de 2.000-10.000 Tg por ano. O mecanismo pelo qual isso ocorre começa com a geração de bolhas de ar em ondas que se quebram, que então sobem para a atmosfera e explodem em centenas de gotas ultrafinas com diâmetro de 0,1-1,0 μm. Os aerossóis de spray marinho são compostos principalmente de sais inorgânicos, como sódio e cloreto. No entanto, essas bolhas às vezes carregam material orgânico encontrado na água do mar, formando compostos orgânicos secundários (SOAs), como o sulfeto de dimetila (DMS). Este composto desempenha um papel fundamental no projeto NAAMES.

Uma importante consequência biogeoquímica da SSA é seu papel como núcleos de condensação de nuvens . Estas são partículas que fornecem as superfícies necessárias para o vapor de água condensar abaixo das condições de supersaturação. O congelamento de matéria orgânica nesses aerossóis promove a formação de nuvens em ambientes mais quentes e secos do que onde se formariam, especialmente em altas latitudes, como o Oceano Atlântico Norte. A matéria orgânica nesses aerossóis ajuda na nucleação de gotículas de água nessas regiões, mas muitas coisas desconhecidas permanecem, como qual fração contém materiais orgânicos congelantes e de quais fontes biológicas. No entanto, o papel dos florescimentos do fitoplâncton como uma fonte de partículas de nucleação de gelo aumentadas foi confirmado em experimentos de laboratório, implicando no importante papel desses aerossóis no forçamento radiativo da nuvem. Aerossóis marinhos primários criados por emissão de estouro de bolhas foram medidos no Atlântico Norte durante a primavera de 2008 pelo Experimento Internacional de Química na Baixa Troposfera Ártica (ICEALOT). Este cruzeiro de pesquisa mediu áreas limpas, ou de fundo, e descobriu que elas eram compostas principalmente de aerossóis marinhos primários contendo grupos funcionais hidroxila (58% ± 13) e alquenos (21% ± 9), indicando a importância dos compostos químicos no ar com origem biológica. No entanto, a pequena escala temporal dessas medidas, somada à impossibilidade de determinar a origem exata dessas partículas, justifica a necessidade científica de um melhor entendimento dos aerossóis nessa região.

Bioaerossóis

Bioaerossóis são partículas compostas de componentes vivos e não vivos liberados de ecossistemas terrestres e marinhos para a atmosfera. Podem ser florestas, pastagens, culturas agrícolas ou mesmo produtores primários marinhos, como o fitoplâncton. Partículas de aerossol biológico primário (PBAPs) contêm uma variedade de materiais biológicos, incluindo bactérias, arquéias, algas e fungos, e foram estimados para compreender até 25% da massa total do aerossol global. A dispersão desses PBAPs ocorre por meio da emissão direta na atmosfera por meio de esporos de fungos, pólen, vírus e fragmentos biológicos. As concentrações ambientais e os tamanhos dessas partículas variam de acordo com a localização e sazonalidade, mas de relevância para NAAMES são os tamanhos transitórios dos esporos de fungos (0,05 a 0,15 μm de diâmetro) e tamanhos maiores (0,1 a 4 μm) para bactérias. Aerossóis orgânicos marinhos (OA) foram estimados por meio de sua correlação com pigmentos de clorofila para variar em magnitude entre 2-100 Tg por ano. No entanto, estudos recentes de OA estão correlacionados com a produção de DMS e em menor extensão com clorofila, sugerindo que o material orgânico em aerossóis de sal marinho está conectado à atividade biológica na superfície do mar. Os mecanismos que contribuem para os aerossóis orgânicos marinhos permanecem obscuros e foram o foco principal do NAAMES.

Existem algumas evidências de que os bioaerossóis marinhos contendo cianobactérias e microalgas podem ser prejudiciais à saúde humana. O fitoplâncton pode absorver e acumular uma variedade de substâncias tóxicas, como metilmercúrio , bifenilos policlorados (PCBs) e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos . As cianobactérias são conhecidas por produzir toxinas que podem ser aerossolizadas, as quais, quando inaladas por humanos, podem afetar os sistemas nervoso e hepático. Por exemplo, Caller et al. (2009) sugeriram que bioaerossis de florescências de cianobactérias poderiam desempenhar um papel em altas incidências de esclerose lateral amiotrófica (ELA) . Além disso, um grupo de compostos tóxicos chamados microcistinas são produzidos por algumas cianobactérias dos gêneros Microcystis , Synechococcus e Anabaena . Essas microcistinas foram encontradas em aerossóis por vários investigadores, e tais aerossóis foram implicados como causadores de casos isolados de pneumonia , gastroenterite e doença hepática gordurosa não alcoólica . Acredita-se que os dinoflagelados também estejam envolvidos na toxicidade do bioaerossol, com o gênero Ostreopsis causando sintomas como dispneia , febre, rinorreia e tosse. É importante ressaltar que aerossóis tóxicos marinhos foram encontrados até 4 km no interior, mas os pesquisadores recomendam estudos adicionais que rastreiam o destino dos bioaerossóis mais para o interior.

O filo de fungos de Ascomycota tem sido entendido como o principal contribuinte (72% em proporção relativa a outros filos) para bioaerossóis marinhos, pelo menos no Oceano Antártico. Destes, os Agaricomicetos constituem a maioria (95%) das classes de fungos dentro deste filo. Dentro deste grupo, o gênero Penicillium é mais freqüentemente detectado em aerossóis de fungos marinhos. Os bioaerossóis de fungos também podem servir como núcleos de gelo e, portanto, também impactar o orçamento radiativo em regiões oceânicas remotas, como o Oceano Atlântico Norte.

Além dos aerossóis de pulverização do mar (consulte a seção acima), os aerossóis biogênicos produzidos pelo fitoplâncton também são uma fonte importante de pequenas (normalmente 0,2 µm) partículas de núcleos de condensação de nuvem (CCN) suspensas na atmosfera. O Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC), previu um aumento nas temperaturas globais da superfície oceânica de +1,3 a +2,8 graus Celsius no próximo século, o que causará mudanças espaciais e sazonais na proliferação de fitoplâncton do Atlântico Norte. Mudanças na dinâmica da comunidade afetarão muito os bioaerossóis disponíveis para núcleos de condensação de nuvens. Portanto, a formação de nuvens no Atlântico Norte é sensível à disponibilidade do bioaerossol, tamanho de partícula e composição química.

Bioaerossóis marinhos e balanço de radiação global

Os aerossóis marinhos contribuem significativamente para os aerossóis globais. Tradicionalmente, o ciclo biogeoquímico e a modelagem climática têm se concentrado em aerossóis de sal marinho, com menos atenção em partículas de aerossol derivadas biogênicamente, como sulfatos e espécies químicas relacionadas emitidas do fitoplâncton. Por exemplo, no leste do Atlântico Norte, durante a floração da primavera de 2002, a alta atividade do fitoplâncton foi marcada mais pelo carbono orgânico (espécies solúveis e insolúveis) do que pelos sais marinhos. A fração orgânica do fitoplâncton contribuiu com até 63% da massa do aerossol na atmosfera, enquanto durante os períodos de inverno de baixa atividade biológica representou apenas 15% da massa do aerossol. Esses dados forneceram evidências empíricas iniciais desse fenômeno de emissão, ao mesmo tempo em que mostram que a matéria orgânica da biota oceânica pode aumentar as concentrações de gotículas de nuvem em até 100%.

Booms fitoplanctônicos são fontes importantes para aerossóis biogênicos que fornecem núcleos de condensação de nuvens

Dados para testar a hipótese CLAW

Há evidências crescentes que descrevem como o fitoplâncton oceânico afeta o albedo das nuvens e o clima por meio do ciclo biogeoquímico do enxofre , conforme proposto originalmente no final dos anos 1980. A hipótese CLAW conceitua e tenta quantificar os mecanismos pelos quais o fitoplâncton pode alterar a cobertura de nuvens global e fornecer equilíbrio de radiação em escala planetária ou regulação da homeostase . Como a irradiância solar impulsiona a produção primária nas camadas superiores do oceano, os aerossóis são liberados na camada limite planetária . Uma porcentagem desses aerossóis é assimilada pelas nuvens, que podem gerar um loop de feedback negativo refletindo a radiação solar. A hipótese baseada no ecossistema de ciclos de floração do fitoplâncton (explorada por NAAMES) sugere que o aquecimento dos oceanos levaria a uma diminuição na produtividade do fitoplâncton. A diminuição do fitoplâncton causaria uma diminuição na disponibilidade de aerossóis, o que pode levar a menos nuvens. Isso resultaria em um ciclo de feedback positivo, onde oceanos mais quentes levam a menos nuvens, o que permite mais aquecimento.

Um dos principais componentes da hipótese CLAW é a emissão de dimetilsulfoniopropionato (DMSP) pelo fitoplâncton. Outro composto químico, o sulfeto de dimetila (DMS), foi identificado como o principal composto de enxofre volátil na maioria dos oceanos. As concentrações de DMS na água do mar mundial foram estimadas em, em média, na ordem de 102,4 nanogramas por litro (ng / L). Os valores regionais do Atlântico Norte são aproximadamente 66,8 ng / L. Esses valores regionais variam sazonalmente e são influenciados pelos efeitos dos aerossóis continentais. No entanto, o DMS é uma das fontes dominantes de compostos de enxofre voláteis biogênicos na atmosfera marinha. Desde a sua conceituação, vários estudos de investigação encontraram evidências empíricas e circunstanciais que apoiam a hipótese CLAW em latitudes médias do Oceano Atlântico. A campanha NAAMES procurou fornecer uma compreensão empírica dos efeitos dos bioaerossóis marinhos na formação de nuvens e balanço global de radiação, quantificando os mecanismos subjacentes à hipótese CLAW.

Emissões da micro-camada da superfície do mar

Compostos orgânicos dissolvidos contendo restos de polissacarídeos , proteínas , lipídios e outros componentes biológicos são liberados pelo fitoplâncton e bactérias. Eles são concentrados em géis de tamanho nanométrico na superfície dos oceanos. Especificamente, esses compostos estão concentrados na micro-camada da superfície do mar (SML), a película mais superficial de água do oceano. O SML é considerado um "revestimento" dentro do 1 milímetro superior da água, onde ocorre a troca de matéria e energia entre o mar e a atmosfera. Os processos biológicos, químicos e físicos que ocorrem aqui podem ser alguns dos mais importantes em qualquer lugar da Terra, e esta camada fina experimenta a primeira exposição a mudanças climáticas, como calor, gases residuais, ventos, precipitação e também resíduos, como nanomateriais e plásticos. O SML também tem papéis importantes na troca de gases ar-mar e na produção de aerossóis orgânicos primários.

Um estudo usando amostras de água e condições ambientais do Oceano Atlântico Norte descobriu que um exopolímero contendo polissacarídeo e uma proteína são facilmente aerossolizados nas águas oceânicas superficiais, e os cientistas foram capazes de quantificar a quantidade e resolução do tamanho do transporte marítimo primário para o ar de material biogênico. Esses materiais são pequenos o suficiente (0,2 μm) para serem amplamente emitidos pelo fitoplâncton e outros microorganismos. No entanto, prever a quantidade de aerossol, distribuição de tamanho e composição por meio de amostras de água é atualmente problemático. Os investigadores sugerem que as medições futuras se concentrem na comparação de técnicas de detecção de fluorescência que são capazes de detectar proteínas em aerossóis. A NAAMES preencheu essa lacuna de pesquisa fornecendo um instrumento baseado em fluorescência (veja a seção sobre instrumentos atmosféricos abaixo), tanto na coluna de ar quanto perto da superfície do mar.

Objetivos NAAMES

Identificar as diferentes características do ciclo anual de florescimento do fitoplâncton no Atlântico Norte e determinar os diferentes processos físicos que afetam essas características.

Para atingir esse objetivo, foi usada uma combinação de medições baseadas em navios, aerotransportadas e de sensoriamento remoto. NAAMES conduziu várias campanhas que ocorreram durante as várias fases do ciclo, a fim de capturar as características transitórias importantes da floração anual para uma visão abrangente.

Compreenda como as diferentes características do ciclo fitoplanctônico anual do Atlântico Norte interagem para “preparar o terreno” para as florações anuais.

Esse objetivo busca reconciliar as hipóteses concorrentes baseadas em recursos e em ecossistemas. O objetivo da NAAMES era fornecer os estudos de campo mecanísticos necessários para compreender uma visão mais holística do ciclo de floração anual.

Determine como as diferentes características do ciclo fitoplanctônico anual afetam os aerossóis marinhos e a formação de nuvens.

Os efeitos dos aerossóis nas nuvens é um tópico pouco estudado, apesar das principais implicações que pode ter para a previsão de mudanças climáticas futuras. Este objetivo abordou essa lacuna usando métodos de medição combinados para entender a contribuição de vários aerossóis para a formação de nuvens produzidas durante cada fase principal do ciclo fitoplanctônico anual.

Metodologia

Campanhas de campo

Esquema das diversas estratégias de amostragem para campanhas de pesquisa NAAMES, incluindo sensores de satélite, medições e implantações de embarcações e sensoriamento remoto de aeronaves. Ele também descreve processos-chave, como booms de fitoplâncton e emissão e dispersão de aerossol.

Quatro campanhas de campo foram conduzidas para atingir as quatro mudanças específicas durante o ciclo anual do plâncton. As quatro campanhas de campo da NAAMES sincronizaram as coletas de dados do navio, do ar e dos satélites, e foram estrategicamente programadas para capturar as quatro fases únicas de florescimento de plâncton no Atlântico Norte: transição de inverno, fase de acumulação, transição de clímax e fase de esgotamento.

Campanha 1: amostragem de transição de inverno concluída de 5 de novembro a 2 de dezembro de 2015

Campanha 2: Amostragem Climax Transition concluída de 11 de maio a 5 de junho de 2016

Campanha 3: Amostragem da fase de declínio concluída de 30 de agosto a 24 de setembro de 2017

Campanha 4: Amostragem da fase de acumulação concluída de 20 de março a 13 de abril de 2018

Área de estudo para NAAMES descrevendo rotas de embarcações de pesquisa e implantação de flutuadores autônomos de perfilagem. Imagem cortesia da NASA.

Amostragem

Cruzeiros de pesquisa no R / V Atlantis

Instrumentos embarcados mediram gases, partículas e compostos orgânicos voláteis acima da superfície do oceano. Amostras de água também foram coletadas para descrever a composição da comunidade de plâncton, taxas de produtividade e respiração e estresse fisiológico.

Todas as quatro campanhas seguiram um navio e plano de vôo semelhantes. O R / V Atlantis partiu de Woods Hole, Massachusetts , para embarcar em cruzeiros de 26 dias cobrindo 4.700 milhas náuticas. O navio navegou primeiro para 40 W. Ele então se moveu para o norte de 40 N para 55 N de latitude ao longo do paralelo de 40 W de longitude. Este intenso transecto sul-norte envolveu múltiplas medições estacionárias. O navio então retornou ao porto de Woods Hole. ^{${\ displaystyle \ circ}$}^{${\ displaystyle \ circ}$}^{${\ displaystyle \ circ}$}^{${\ displaystyle \ circ}$}

A amostragem em andamento (ou seja, enquanto o navio estava em movimento) ocorreu ao longo de todo o cruzeiro usando o sistema de análise de fluxo contínuo de água do mar do navio. Então, uma vez que atingiu o início da área de transecto triangular, o navio parava duas vezes por dia ao amanhecer e meio-dia para medições estacionárias para coletar amostras de água para incubação (por exemplo, respiração) e realizar amostragem de coluna de água e medições ópticas.

Os cientistas também usaram flutuadores ARGO autônomos em três locais durante cada cruzeiro. Esses instrumentos flutuantes autônomos mediam parâmetros como clorofila (uma medida da abundância do fitoplâncton), intensidade da luz, temperatura, densidade da água e partículas suspensas. Um total de 12 instrumentos autônomos foram implantados durante os quatro cruzeiros.

Amostragem aerotransportada

Medições baseadas em aviões foram projetadas para serem executadas precisamente ao mesmo tempo que os navios de pesquisa navegam, para que os cientistas pudessem conectar os processos do nível do oceano com os da baixa atmosfera. Os dados de satélite também foram sintetizados para criar uma compreensão mais completa da dinâmica do plâncton e dos aerossóis e seu impacto potencial no clima e nos ecossistemas.

A amostragem aerotransportada envolveu um C-130 equipado com instrumentos científicos sensíveis. A tripulação baseada em St. John's, Canadá , conduziu voos de 10 horas em um “padrão Z” acima da área de estudo. Os voos ocorreram em altitudes altas e baixas para medir as alturas dos aerossóis e as características espaciais dos aerossóis / ecossistemas. Os voos de alta altitude coletaram dados sobre aerossóis acima das nuvens e medições atmosféricas de aerossóis de fundo na troposfera. Uma vez acima do navio, o avião realizou descidas em espiral até baixa altitude para adquirir dados sobre a estrutura vertical dos aerossóis. Esses voos de baixa altitude amostraram aerossóis dentro da camada limite marinha. A amostragem de nuvem mediu o número de gotículas na nuvem, a densidade e as medições de tamanho.

Observações de satélite

As medições de satélite foram usadas quase em tempo real para ajudar a orientar o movimento do navio e o planejamento de voo. As medições incluíram a altura da superfície do mar, temperatura da superfície do mar, cor do oceano, ventos e nuvens. Dados de satélite também forneceram concentrações médias de clorofila na superfície por meio do espectrorradiômetro de imagem de resolução moderada da NASA (MODIS), como um proxy para a produtividade primária.

Flutuadores ARGO autônomos

Instrumentos autônomos in-situ chamados flutuadores Argo foram implantados para coletar propriedades físicas e medições bio-ópticas. Os flutuadores Argo são um instrumento movido a bateria que usa sistemas hidráulicos para controlar sua flutuabilidade para descer e subir na água. Os flutuadores Argo coletam as propriedades biológicas e físicas do oceano. Os dados coletados dos flutuadores são transmitidos remotamente via satélite ARGOS .

Instrumentos Atmosféricos

Os instrumentos usados para caracterizar processos na atmosfera podem ser divididos em aqueles que medem a composição do gás e aqueles que medem a composição das propriedades ópticas. Geralmente, os instrumentos de amostragem de aerossol são categorizados por sua capacidade de medir propriedades ópticas, físicas ou químicas. As propriedades físicas incluem parâmetros como o diâmetro e a forma da partícula.

Dois parâmetros ópticos comumente medidos são absorção e dispersão de luz por partículas de aerossol. Os coeficientes de absorção e espalhamento dependem da quantidade do aerossol.

Os flutuadores ARGOS autônomos coletam medições de condutividade, temperatura e profundidade (CTD). Ele ajusta seu sistema hidráulico para subir e descer na água.

A dispersão total da luz por partículas de aerossol pode ser medida com um nefelômetro. Em contraste, a absorção de luz do aerossol pode ser medida usando vários tipos de instrumentos, como o Fotômetro de Fuligem / Absorção de Partículas (PSAP) e o Fotômetro de Absorção de Luz Contínua (CLAP). Em ambos os instrumentos, as partículas são coletadas em um filtro e a transmissão de luz através do filtro é monitorada continuamente. Este método é baseado na técnica da placa integradora, na qual a mudança na transmissão óptica de um filtro causada pela deposição de partículas está relacionada ao coeficiente de absorção de luz das partículas depositadas usando a Lei de Beer-Lambert.

Um dos instrumentos utilizados para caracterizar a quantidade e composição dos bioaerossóis foram os Sensores de Banda Larga Integrados a Bioaerossóis (WIBS). Este instrumento usa fluorescência induzida por luz ultravioleta (UV-LIF) para detectar os sinais de fluorescência de aminoácidos comuns como triptofano e nicotinamida adenina dinucleotídeo (NADH). Uma lâmpada piscando o gás xenônio é capaz de detectar o tamanho e a forma da partícula usando bandas de onda ultravioleta de alta precisão (280 nm e 370 nm).

Achados Científicos

Resultados

Alguns resultados decorrentes da pesquisa do NAAMES incluem artigos científicos sobre aerossóis e núcleos de condensação de nuvens, ciclos anuais do fitoplâncton, fisiologia do fitoplâncton e biologia de mesoescala. Também houve publicações sobre metodologias aprimoradas, incluindo novos algoritmos de sensoriamento remoto e avanços em sensoriamento remoto por satélite.

Ciclos anuais do fitoplâncton

Mudanças sazonais na biomassa do fitoplâncton são controladas por interações predador-presa e mudanças nas condições de camada mista, como temperatura, luz e nutrientes. Compreender a importância relativa desses vários fatores em diferentes estágios do ciclo sazonal permite melhores previsões das futuras mudanças oceânicas. Uma publicação da NAAMES descobriu que a profundidade da camada mista de inverno estava positivamente correlacionada com as concentrações de clorofila da primavera no Mar de Labrador . As perdas por afundamento durante o inverno foram compensadas pelo crescimento líquido do fitoplâncton, e esse crescimento líquido no inverno foi provavelmente uma função da redução do pastejo devido à diluição.

Fisiologia do fitoplâncton

Compreender as diferenças taxonômicas na fotoaclimatação e nas estratégias gerais de fotoaclimatação da comunidade fitoplanctônica é importante para a construção de modelos que dependem da luz como o principal fator de controle da dinâmica do florescimento. Além disso, uma melhor compreensão da fisiologia do fitoplâncton impulsionada pela luz pode ajudar com melhores leituras dos dados de satélite sobre as concentrações de clorofila e a temperatura da superfície do mar. Um estudo NAAMES determinou as respostas de fotoaclimatação de vários grupos taxonômicos durante um evento de tempestade de 4 dias que causou profunda mistura e restratificação no oceano Atlântico subártico . Houve diferenças significativas na fotoaclimatação e no acúmulo de biomassa em várias profundidades de intensidade de luz durante o evento de tempestade.

Biologia de mesoescala

Um dos resultados mais recentes da campanha NAAMES inclui uma melhor compreensão de como a biologia ajuda a atrair o dióxido de carbono atmosférico para a coluna de água. Especificamente, o impacto da migração vertical do zooplâncton na exportação de carbono para o mar profundo por meio da Bomba Biológica foi parametrizado e modelado pela primeira vez.

Aerossóis e núcleos de condensação de nuvem

Ilustração das fontes de aerossóis encontrados durante os cruzeiros NAAMES

Uma clara diferença sazonal na quantidade de aerossóis de sulfato biogênico foi descoberta no Atlântico Norte como resultado da campanha NAAMES. Esses aerossóis foram rastreados para duas origens biogênicas diferentes, ambas marinhas devido à falta de influências da massa de ar continental durante o período de estudo. A origem biogênica foi a produção de sulfeto de dimetila (DMS) pelo fitoplâncton, que então atuou como núcleos de condensação de nuvens (CCN) e afetou a formação de nuvens. Este estudo classificou os sulfatos como "Novo Sulfato", formados por nucleação na atmosfera; e "Sulfato adicionado", que eram aerossóis existentes na atmosfera onde o sulfato foi incorporado. Durante o cruzeiro de novembro de 2015 (Campanha 1), o sal marinho primário foi o principal mecanismo (55%) para o orçamento CCN. No entanto, durante a floração da primavera em maio-junho de 2016 (Campanha 2), o Sulfato adicionado representou 32% do CCN, enquanto o sal marinho representou 4%. Essas medições empíricas por sazonalidade ajudarão a melhorar a precisão dos modelos climáticos que simulam os efeitos do aquecimento ou resfriamento dos bioaerossóis marinhos.

Metodologias de medição aprimoradas

Os cientistas da NAAMES desenvolveram várias novas técnicas de medição durante o projeto. Por exemplo, a citometria de fluxo de classificação combinada com a detecção bioluminescente de ATP e NADH fornece uma determinação relativamente precisa da produtividade primária líquida do fitoplâncton, taxa de crescimento e biomassa. Os testes de laboratório e de campo validaram esta abordagem, que não requer técnicas tradicionais de incubação de isótopos de carbono-14. Outros pesquisadores do NAAMES empregaram novas técnicas para medir a distribuição do tamanho das partículas , que é uma importante métrica da biogeoquímica e da dinâmica do ecossistema. Ao acoplar um medidor de partículas de difração a laser submersível com um sistema de água do mar de fluxo contínuo, os cientistas foram capazes de medir com precisão a distribuição do tamanho das partículas, bem como métodos mais estabelecidos (mas mais intensivos em tempo e esforço), como contador Coulter e citobotão de fluxo. Além de novas técnicas oceanográficas, a equipe NAAMES também desenvolveu um novo método de coleta de água das nuvens. Uma sonda montada em aeronave usou separação inercial para coletar gotículas de nuvem da atmosfera. Sua técnica de ciclone axial foi relatada para coletar água da nuvem a uma taxa de 4,5 ml por minuto, que foi armazenada e posteriormente analisada em laboratório.

Novos algoritmos de sensoriamento remoto

Avanços em algoritmos de sensoriamento remoto também foram desenvolvidos durante as expedições NAAMES. Zhang et al. forneceu correções atmosféricas para o instrumento de simulador aerotransportado de eventos de poluição do ar geoestacionário hiperespectral (GCAS) usando abordagens vicárias e de sombra de nuvem. Outros cientistas testaram novas abordagens para medir o tamanho das gotículas de nuvem e descobriram que o uso de um polarímetro de varredura de pesquisa correlacionou-se bem com as medições diretas da sonda de gotículas de nuvem e LIDAR de alta resolução espectral. Suas descobertas sugerem que a recuperação do tamanho de gota polarimétrica pode ser uma ferramenta precisa e útil para medir o tamanho de gota de nuvem global.

Avanços no sensoriamento remoto oceânico LIDAR por satélite

A equipe NAAMES avançou no uso do LIDAR na oceanografia. Por exemplo, Behrenfeld et al. (2017) mostraram que o LIDAR baseado no espaço pode capturar ciclos anuais da dinâmica do fitoplâncton em regiões polares de 45 latitudes. Usando essas novas técnicas, eles descobriram que a biomassa do fitoplâncton da Antártica muda principalmente devido à cobertura de gelo, enquanto no Ártico as mudanças no fitoplâncton são impulsionadas principalmente por processos ecológicos. Em outro artigo, a equipe descreveu novos avanços nas técnicas de satélite LIDAR e argumentou que uma nova era de LIDAR baseado no espaço tem o potencial de revolucionar o sensoriamento remoto oceanográfico. ^{${\ displaystyle \ circ}$}

Implicações Futuras

NAAMES forneceu dados inovadores sobre aerossóis e sua relação com vários ecossistemas e parâmetros oceanográficos. Suas descobertas e inovações metodológicas podem ser empregadas por modeladores para determinar como as futuras mudanças no ecossistema oceânico podem afetar o clima.

Dados NAAMES

As versões finalizadas dos dados de campo podem ser visualizadas por meio dos Distributed Active Archive Centers (DAACs) da NASA. Os dados de cada campanha de cruzeiro foram armazenados como projetos separados e as informações de cada campanha foram divulgadas publicamente dentro de 1 ano após a coleta da medição. As informações baseadas em navios podem ser visualizadas através do SeaWiFS Bio-Optical Archive and Storage System (SeaBASS), enquanto as informações aéreas podem ser visualizadas através do Atmospheric Science Data Center (ASDC).

NAAMES antecipa muitas publicações adicionais a serem lançadas nos próximos anos a partir de pesquisas e processamento de dados em andamento.

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