A vida marinha microscópica desempenha um papel fundamental na saúde do oceano e, em última análise, do planeta. Assim como as plantas terrestres, o minúsculo fitoplâncton usa a fotossíntese para consumir dióxido de carbono e convertê-lo em matéria orgânica e oxigênio. Esta transformação biológica é conhecida como produtividade primária marinha.
Em um novo estudo na Nature Geoscience hoje, o cientista sênior do MBARI Ken Johnson e a ex-colega de pós-doutorado do MBARI Mariana Bif demonstraram como uma frota de carros alegóricos robóticos poderia revolucionar nossa compreensão da produtividade primária no oceano em escala global.
Os dados coletados por esses flutuadores permitirão aos cientistas estimar com mais precisão como o carbono flui da atmosfera para o oceano e lançar uma nova luz sobre o ciclo global do carbono. Mudanças na produtividade do fitoplâncton podem ter consequências profundas, como afetar a capacidade do oceano de armazenar carbono e alterar as teias alimentares dos oceanos. Diante de um clima em mudança, é fundamental compreender o papel do oceano em retirar o carbono da atmosfera e armazená-lo por longos períodos.
“Com base em modelos de computador imperfeitos, previmos que a produção primária do fitoplâncton marinho diminuirá em um oceano mais quente, mas não tínhamos como fazer medições em escala global para verificar os modelos. Agora temos”, disse o cientista sênior do MBARI Ken Johnson.
Ao converter dióxido de carbono em matéria orgânica, o fitoplâncton não apenas sustenta teias alimentares oceânicas, mas também é o primeiro passo na bomba de carbono biológico do oceano.
O fitoplâncton consome dióxido de carbono da atmosfera e o usa para construir seus corpos. Os organismos marinhos comem esse fitoplâncton, morrem e depois afundam no fundo do mar. Este carbono orgânico é gradualmente respirado pelas bactérias em dióxido de carbono. Como muito disso acontece em grandes profundidades, o carbono é mantido longe da atmosfera por longos períodos de tempo. Este processo sequestra carbono em massas e sedimentos de águas profundas do mar e é um componente crucial na modelagem do clima da Terra agora e no futuro.
A produtividade primária marinha diminui e diminui em resposta às mudanças em nosso sistema climático. “Podemos esperar que a produtividade primária global mude com o aquecimento do clima”, explicou Johnson. “Pode subir em alguns lugares, descer em outros, mas não temos um bom controle de como isso vai se equilibrar.” Monitorar a produtividade primária é crucial para entender nosso clima em mudança, mas observar a resposta em escala global tem sido um problema significativo.
A medição direta da produtividade no oceano requer a coleta e análise de amostras. Limitações em recursos e esforço humano tornam as observações diretas em escala global, com resolução sazonal a anual desafiadora e custo proibitivo. Em vez disso, o sensoriamento remoto por satélites ou modelos de circulação gerados por computador oferecem a resolução espacial e temporal necessária. “Os satélites podem ser usados para fazer mapas globais de produtividade primária, mas os valores são baseados em modelos e não são medições diretas”, advertiu Johnson.
“Os cientistas estimam que cerca de metade da produtividade primária da Terra acontece no oceano, mas a dispersão das medições ainda não pode nos dar uma estimativa global confiável para o oceano”, acrescentou Mariana Bif, oceanógrafa biogeoquímica e ex-pós-doutoranda no MBARI. Agora, os cientistas têm uma nova alternativa para estudar a produtividade dos oceanos – milhares de robôs autônomos vagando pelo oceano.
Esses robôs estão dando aos cientistas um vislumbre da produtividade primária marinha em área, profundidade e tempo. Eles estão transformando dramaticamente nossa capacidade de estimar quanto carbono o oceano global acumula a cada ano. Por exemplo, o Oceano Índico e o meio do Oceano Pacífico Sul são regiões onde os cientistas têm muito pouca informação sobre a produtividade primária. Mas isso mudou com a implantação de Biogeochemical-Argo (BGC-Argo) flutua em todo o mundo.
“Este trabalho representa um marco significativo na aquisição de dados oceânicos”, enfatizou Bif. “Isso demonstra quantos dados podemos coletar do oceano sem realmente ir até lá.”
Os flutuadores de perfil do BGC-Argo medem temperatura, salinidade, oxigênio, pH, clorofila e nutrientes. Quando os cientistas implantam pela primeira vez um flutuador BGC-Argo, ele afunda a 1.000 metros (3.300 pés) de profundidade e flutua nessa profundidade. Em seguida, sua programação autônoma começa a trabalhar traçando o perfil da coluna d’água. O flutuador desce até 2.000 metros (6.600 pés) e sobe até a superfície. Uma vez na superfície, o flutuador se comunica com um satélite para enviar seus dados aos cientistas em terra. Este ciclo é então repetido a cada 10 dias.
Na última década, uma frota crescente de flutuadores BGC-Argo tem feito medições em todo o oceano. Os carros alegóricos capturam milhares de perfis todos os anos. Este tesouro de dados forneceu a Johnson e Bif medições dispersas de oxigênio ao longo do tempo.
Conhecer o padrão de produção de oxigênio permitiu que Johnson e Bif calculassem a produtividade primária líquida em escala global.
Durante a fotossíntese, o fitoplâncton consome dióxido de carbono e libera oxigênio em uma determinada proporção. Ao medir a quantidade de oxigênio liberado pelo fitoplâncton ao longo do tempo, os pesquisadores podem estimar quanto carbono o fitoplâncton produz e quanto dióxido de carbono consome. “O oxigênio aumenta durante o dia devido à fotossíntese, diminui à noite devido à respiração – se você conseguir obter o ciclo diário de oxigênio, terá uma medição da produtividade primária”, explicou Johnson. Embora este seja um padrão bem conhecido, este trabalho representa a primeira vez que ele foi medido quantitativamente por instrumentos em escala global ao invés de estimado por meio de modelagem e outras ferramentas.
Mas o perfil flutua apenas uma vez a cada 10 dias, e Johnson e Bif precisaram de várias medições em um dia para obter um ciclo diário. Uma nova abordagem para analisar os dados de flutuação permitiu que Johnson e Bif calculassem a produtividade primária do oceano. Com cada flutuação de perfil surgindo em um horário diferente do dia, a combinação de dados de 300 flutuadores e amostras de várias horas do dia permitiu que Johnson e Bif recriassem o ciclo diário de oxigênio que sobe e desce e, em seguida, calcula a produtividade primária.
Para confirmar a precisão das estimativas de produtividade primárias calculadas a partir dos flutuadores BGC-Argo, Johnson e Bif compararam seus dados de flutuação com dados de amostragem baseados em navios em duas regiões – a estação Hawaii Ocean Time-series (HOT) e a Bermuda Atlantic Time- Estação da série (BATS). Os dados adquiridos dos flutuadores de perfil perto dessas regiões deram resultados semelhantes, como amostragem mensal de navios nesses dois locais ao longo de muitos anos.
Johnson e Bif descobriram que o fitoplâncton produzia cerca de 53 petagramas de carbono por ano. Essa medição foi próxima aos 52 petagramas de carbono por ano estimados pelos modelos de computador mais recentes. (Um petagrama tem 1.000.000.000.000 de quilogramas, ou um gigaton, e aproximadamente o equivalente ao peso de 200 milhões de elefantes.) Este estudo validou modelos biogeoquímicos recentes e destacou o quão robustos esses modelos se tornaram.
Os dados de alta resolução dos flutuadores BGC-Argo podem ajudar os cientistas a calibrar melhor os modelos de computador para simular a produtividade e garantir que representem as condições oceânicas do mundo real. Esses novos dados permitirão aos cientistas prever melhor como a produtividade primária marinha responderá às mudanças no oceano, simulando diferentes cenários, como aquecimento das temperaturas, mudanças no crescimento do fitoplâncton, acidificação dos oceanos e mudanças nos nutrientes. Conforme mais flutuadores são implantados, Johnson e Bif esperam que os resultados de seu estudo possam ser atualizados, diminuindo as incertezas.
“Ainda não podemos dizer se há mudança na produtividade primária do oceano porque nossa série temporal é muito curta”, advertiu Bif. “Mas estabelece uma linha de base atual a partir da qual podemos detectar mudanças futuras. Esperamos que nossas estimativas sejam incorporadas aos modelos, incluindo aqueles usados para satélites, para melhorar seu desempenho.”
Mas já, a riqueza de dados dessas flutuações provou ser inestimável para melhorar nossa compreensão da produtividade primária marinha e como o clima da Terra está ligado ao oceano.
Os flutuadores BGC-Argo foram fundamentais para o projeto Southern Ocean Carbon and Climate Observations and Modeling (SOCCOM), um programa patrocinado pela NSF com foco em desvendar os mistérios do Oceano Antártico e determinar sua influência no clima. E no ano passado marcou a estreia do projeto Global Ocean Biogeochemistry Array (GO-BGC Array), que permitirá aos cientistas buscar questões fundamentais sobre os ecossistemas oceânicos, observar a saúde e a produtividade do ecossistema e monitorar os ciclos elementares de carbono, oxigênio e nitrogênio no oceano em todas as estações do ano.
As informações coletadas por essas iniciativas globais colaborativas fornecem dados essenciais para melhorar os modelos de computador da pesca oceânica e do clima e monitorar e prever os efeitos do aquecimento e da acidificação dos oceanos na vida marinha.
Publicado em 17/08/2021 03h09
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