Свободное обогащение океана CO2
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( январь 2014 г. ) |
Свободное CO 2 обогащение в океане ( FOCE ) — это технология, облегчающая изучение последствий закисления океана для морских организмов и сообществ путем точного контроля обогащения CO 2 внутри частично открытых экспериментальных вольеров in situ. Существующие системы FOCE контролируют экспериментальные возмущения CO 2 путем мониторинга в реальном времени различий в pH морской воды между обработанной (т. е. с высоким содержанием CO 2 ) и контрольной (т. е. окружающей) морской водой в экспериментальных вольерах. [1]
Обзор
[ редактировать ]Эксперименты с контролируемыми возмущениями на месте, часто проводимые в течение недель или месяцев, могут дать выводы о реакции природных сообществ на закисление океана, которые трудно или невозможно получить на основе лабораторных экспериментов. Исследования, проводимые in situ, могут учитывать воздействие потенциально важных факторов, таких как естественная изменчивость планктонных пищевых ресурсов, численность личинок, изменения в хищниках или конкурентах, а также океанографические условия (например, изменения интенсивности апвеллинга). Опираясь на опыт экспериментов по в свободном воздухе CO 2 обогащению (FACE), используемых для изучения реакции наземных растительных сообществ на повышение уровня CO 2 в атмосфере , научное сообщество разработало аналогичный подход — эксперименты по обогащению CO 2 в свободном океане (FOCE) для изучение морских сообществ и дополнение ряда экспериментальных методов и технологий исследований закисления океана. FOCE был впервые предложен и реализован исследователями из Научно-исследовательского института аквариумов Монтерей-Бэй. ( УДАЧИ ).
Цель
[ редактировать ]Поскольку исследования последствий закисления океана для морских организмов и экосистем быстро расширились за последнее десятилетие, методы, используемые для оценки последствий ожидаемых будущих изменений в химии океана, стали более сложными. Первоначальные исследования часто включали измерения выживаемости или физиологической реакции особей морских видов на большие изменения рСО2 или рН, когда они содержались в небольших контейнерах в лабораторных условиях. Этот подход повысил уровень понимания воздействия этих изменений окружающей среды на отдельные виды, но предоставил мало информации о реакции природных сообществ взаимодействующих видов, в которых прямое воздействие закисления океана, а также их каскадные косвенные последствия (например, изменения в интенсивность взаимодействия между хищниками или конкурентами) может быть очевидна. Эксперименты на пелагическом мезокосме, в которых изучалась реакция естественных планктонных сообществ на контролируемые возмущения pH, помогли продвинуть методы исследования закисления океана к более комплексным исследованиям целых сообществ и встроенных процессов, происходящих преимущественно в естественных условиях. [2] Подход FOCE представляет собой аналогичный прогресс в изучении бентосных комплексов, поскольку позволяет изучать прямое воздействие подкисления на отдельные виды, а также потенциальные изменения во взаимодействиях между видами. Более того, методы FOCE обеспечивают точный контроль pH, позволяя при этом естественным образом изменять многие другие параметры. Как и исследования мезокосма, методы FOCE используют преимущества изучения природного сообщества в основном в естественных диапазонах изменчивости окружающей среды.
Методы
[ редактировать ]Ключевыми элементами любых экспериментальных установок FOCE являются частично открытые камеры из плексигласа, система смешивания CO 2 , датчики для непрерывного мониторинга pH окружающей среды и камеры, а также контур управления для регулирования добавления газов или жидкостей в каждую экспериментальную камеру.
Карбонатным химическим составом морской воды можно манипулировать, используя различные подходы для имитации будущих условий. [3] Можно напрямую впрыскивать газы (чистый CO 2 или воздух, обогащенный CO 2 ), но это сложнее, чем подача воды, для достижения точного контроля pH. Современные системы FOCE снижают уровень pH за счет дозированного добавления CO 2 в экспериментальные камеры морской воды, обогащенной . Уровень pH контролируется как постоянное смещение pH относительно значений окружающей среды, сохраняя естественную изменчивость, или как постоянное значение.
Другие подходы использовались для управления химическим составом карбонатов морской воды в полевых условиях. В экспериментах по пелагическому мезокосму [2] Химический состав карбонатов обычно изменяется в начале эксперимента и впоследствии меняется в зависимости от биологических процессов и газопереноса воздух-море. CO 2 в открытой воде. Также использовалось барботирование [4] Этот подход не позволяет точно контролировать химический состав карбонатов, поскольку не включает в себя устройство, обеспечивающее полное уравновешивание добавленного CO 2 в морской воде и его точный контроль. Здесь нет экспериментальных камер для регулирования потока воды, что позволяет создать естественные условия придонного потока, но он генерирует сильно варьирующийся pH при переменной скорости или направлении течения. Таким образом, этот подход больше похож на естественные выбросы CO 2 , чем на системы FOCE. Этот подход может быть полезен, когда организмы не могут быть заключены в камеры и когда они обитают в таких средах, как устья рек, где уровни pCO2 естественным образом гипервариабельны. Этот подход имеет присущие ему ограничения, но может обеспечить более широкое тиражирование при меньших затратах.
Текущие пользователи систем FOCE организовали выпуск руководств и информации о передовом опыте для будущих пользователей. Кроме того, Научно-исследовательский институт аквариумов Монтерей-Бей выпустит пакет с открытым исходным кодом для передачи технологии FOCE заинтересованным исследователям ( xFOCE ). Этот пакет будет включать всю инженерную информацию, необходимую для разработки экономически эффективных систем FOCE.
Будущее развитие систем FOCE будет включать изучение совокупного воздействия закисления океана и других факторов окружающей среды, таких как температура или концентрация растворенного кислорода.
Текущие проекты FOCE
[ редактировать ]Глубокий FOCE (dpFOCE)
[ редактировать ]Система FOCE для изучения глубоководных донных сообществ (обозначенная dp-FOCE) была разработана Научно-исследовательским институтом аквариумов залива Монтерей. Проект dpFOCE, развернутый на глубине 900 м, был прикреплен к кабельной донной обсерватории MARS в заливе Монтерей, центральная Калифорния. В системе использовалась концепция лотка для обеспечения большего контроля над экспериментальным объемом, сохраняя при этом доступ к естественным отложениям морского дна и взвешенным твердым частицам. Крылья временной задержки, прикрепленные к обоим концам камеры dpFOCE, позволяют приливно-отливным изменениям придонных течений и обеспечивают достаточное время для полной гидратации закачанной обогащенной CO 2 морской воды перед входом в экспериментальную камеру. Вентиляторы интегрированы в конструкцию dpFOCE для контроля скорости потока через экспериментальную камеру и для моделирования типичных условий потока в локальном масштабе. Несколько датчиков (pH, CTD, ADV и ADCP), используемые в сочетании с вентиляторами и системой впрыска обогащенной морской воды, позволяют программному обеспечению контура управления достигать желаемого смещения pH. dpFOCE подключается к берегу через кабельную обсерваторию MARS, которая обеспечивает питание и пропускную способность для передачи данных. Обогащенный CO 2 морская вода производится из жидкого CO 2 , содержащегося в небольшом контейнере рядом с камерой dpFOCE; Морская вода, медленно текущая поверх жидкого CO 2 , растворяет часть жидкого CO 2 , образуя шлейф растворения, богатый CO 2 , используемый для впрыскивания в камеру dpFOCE. Система dpFOCE проработала более 17 месяцев и подтвердила эффективность разработанного аппаратного и программного обеспечения. [5]
Коралловый прототип FOCE (cpFOCE)
[ редактировать ]В cpFOCE используются повторяющиеся экспериментальные лотки для ограждения участков кораллового рифа и дозирования в них морской воды, обогащенной CO 2 , с использованием перистальтических насосов с контуром обратной связи, управляемым компьютером, для поддержания заданного отклонения pH от условий окружающей среды. Камера cpFOCE имеет на обоих концах кондиционеры прямого и заднего потока для обеспечения двунаправленных океанских течений. Отверстия расположены параллельно доминирующей оси приливных течений над рифовой равниной, а камера закрепляется песчаными кольями. Выпрямители потока установлены для максимизации турбулентности и обеспечения пассивного перемешивания морской воды, обогащенной CO 2 . Четыре трубки в кондиционерах потока, наиболее удаленных от камеры, имеют небольшие отверстия по всей длине, через которые перекачивается вода с низким pH для равномерного распределения ее по всей ширине и высоте кондиционера. Кондиционеры потока также окрашены в белый цвет, чтобы минимизировать нагрев и рост водорослей. Система cpFOCE была развернута на острове Херон ( Большой Барьерный риф ) для изучения реакции коралловых сообществ на закисление океана. [6]
Европейский FOCE (eFOCE)
[ редактировать ]Европейский FOCE ( eFOCE ) состоит из двух камер с открытым верхом (контрольной и экспериментальной), а также надводного буя, в котором размещена электроника и насосы для производства воды, обогащенной CO 2 . Система питается от солнечной и ветровой энергии. Пакеты данных передаются по беспроводной сети в ближайшую лабораторию, и их можно отслеживать через Интернет. Система eFOCE в настоящее время развернута в заливе Вильфранш-сюр-Мер (Франция) на глубине около 12 м и на расстоянии 300 м от берега. Проект eFOCE был разработан для изучения долгосрочных последствий закисления на донные морские сообщества северо-западной части Средиземного моря, особенно на заросли морских водорослей Posidonia. Целью проекта в течение трехлетнего периода является проведение относительно длительных (> 6 месяцев) экспериментов.
Мелководье FOCE (swFOCE)
[ редактировать ]В сотрудничестве с морской станцией Хопкинса и Центром океанических решений Научно-исследовательский институт аквариумов Монтерей-Бей разрабатывает систему swFOCE для изучения воздействия закисления океана на мелководные сублиторальные сообщества в центральной Калифорнии. swFOCE будет использовать береговую станцию для системы контроля и производства морской воды, обогащенной CO 2 , а также будет использовать и будет использовать существующую кабельную наблюдательную и исследовательскую платформу для подключения узла swFOCE. Две камеры swFOCE первоначально будут установлены на глубине 15 м, примерно в 250 м от берега. Ближайший узел кабельной обсерватории имеет инструменты для мониторинга местных течений, температуры, pH и O2 в режиме реального времени в качестве кабельной обсерваторской платформы для научных исследований.
Антарктический FOCE (AntFOCE)
[ редактировать ]Первый полярный эксперимент FOCE (antFOCE) получил финансирование в ноябре 2012 года, за ним последовали проектные и концептуальные исследования, начатые в 2013 году. Установка и первые научные эксперименты запланированы на 2014 год. antFOCE — это совместная работа Университета Тасмании, Австралийского антарктического отдела , Совместный исследовательский центр антарктического климата и экосистем, Аквариумный научно-исследовательский институт Монтерей-Бей и специалисты-консультанты по политике в области закисления океана из Международной группы справочных пользователей по закислению океана (IOA-RUG). IOA-RUG возьмет на себя ведущую роль в передаче результатов эксперимента FOCE организациям, связанным с глобальной политикой в области климата и океана.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Брюэр П.Г., Кирквуд В.Дж. и Гаттузо Дж.-П., 2013. Системы xFOCE: нынешнее состояние и будущие разработки. Эос 94:152. doi: 10.1002/2013EO160004.
- ^ Перейти обратно: а б Рибеселл У., Черни Й., фон Брёкель К., Боксхаммер Т., Бюденбендер Й., Лидник М., Фишер М., Хоффманн Д., Круг С.А., Ленц У., Людвиг А., Муч Р. и Шульц К.Г. , 2013. Техническое примечание: Мобильная морская мезокосмическая система – новые возможности для исследования изменений океана. Биогеонауки 10: 1835–1847.
- ^ Гаттузо Ж.-П. и Лавин Х., 2009. Техническое примечание: Подходы и программные инструменты для исследования воздействия закисления океана. Биогеонауки 6: 2121–2133.
- ^ Арнольд Т., Мили К., Лихи Х., Миллер А.В., Холл-Спенсер Дж.М., Милаццо М. и Маерс К., 2012. Закисление океана и потеря фенольных веществ морскими растениями. ПЛОС ОДИН 7, е35107. doi:10.1371/journal.pone.0035107.
- ^ Кирквуд В.Дж., Пельцер Э.Т., Уолц П., Хедли К., Херлиен Б., Кеси К., Моэн Т., О'Рейли Т., Салами К.А., Шейн Ф., Шолфилд Дж. и Брюэр П.Г., 2011. Кабельное соединение приборные технологии для исследования закисления океана - FOCE (Free Ocean CO 2 Enrichment). В: (ред.), Подводные технологии (UT), симпозиум IEEE 2011 г. и семинар 2011 г. по научному использованию подводных кабелей и связанных с ними технологий.
- ^ Клайн Д.И., Тенева Л., Шнайдер К., Миард Т., Чай А., Маркер М., Хедли К., Опдайк Б., Нэш М., Валетич М., Кейвс Дж.К., Рассел Б.Д., Коннелл С.Д., Кирквуд Б.Дж., Брюэр П., Пельтцер Э., Сильверман Дж., Калдейра К., Данбар Р.Б., Косефф Дж.Р., Монисмит С.Г., Митчелл Б.Г., Дав С. и Хоег-Гульдберг О., 2012. Кратковременное содержание CO 2 на месте эксперимент по обогащению на острове Херон (Великобритания). Научные отчеты 2:413.doi:10.1038/srep00413.
- 7. Эйнсворт Е.А. и Лонг С.П., 2005. Чему мы научились за 15 лет обогащения CO 2 в свободном воздухе (FACE)? Метааналитический обзор реакции фотосинтеза, свойств кроны и продуктивности растений на повышение уровня CO 2 . Новый фитолог 165:351-371.
- 8. Барри Дж.П., Бак К.Р., Ловера К., Брюэр П.Г., Сейбел Б.А., Дразен Дж.К., Тамбурри М.Н., Уэйлинг П.Дж., Кунц Л. и Пейн Э., 2013. Реакция абиссальных организмов на условия низкого pH во время серии Эксперименты по выбросу CO 2 , моделирующие глубоководную секвестрацию углерода. Глубоководные исследования, часть II: Актуальные исследования в океанографии 92:249-260.