Изменение климата вызывает значительные изменения в состоянии фитопланктона в Мировом океане, и новое исследование MIT показало, что в ближайшие десятилетия эти изменения сильно повлияют на цвет океана, усиливая его синие и зеленые области. Спутники должны обнаружить эти изменения оттенка и заранее предупредить о широкомасштабных изменениях морских экосистем.

В журнале Nature Communications ученые сообщают, что разработали глобальную модель, которая имитирует рост и взаимодействие различных видов фитопланктона, или водорослей, а также то, как смесь видов в различных местах будет меняться при повышении температуры по всему миру. Исследователи также смоделировали, как фитопланктон поглощает и отражает свет, и как меняется цвет океана, поскольку глобальное потепление влияет на состав сообществ фитопланктона.

Исследователи опробовали свою модель, прокрутив ее до конца 21 века, и выяснили, что к 2100 году больше 50% мировых океанов сменят свой цвет, вследствие изменения климата.

Исследование предполагает, что синие области, такие как субтропики, станут еще более синими, поскольку фитопланктона станет меньше — и жизни в целом — в этих водах, если сравнивать с современным положением дел. Некоторые регионы, которые сегодня более зеленые, вроде тех, что около полюсов, могут стать еще зеленее, так как более высокие температуры приводят к распространению разнообразного фитопланктона..

«Эта модель предполагает, что невооруженному глазу эти изменения будет заметить нелегко, и океан все равно будет выглядеть так, будто у него есть синие области в субтропиках и более зеленые — возле экватора и полюсов», говорит ведущий автор работы Стефани Даткевич из Отделения наук о Земле, атмосфере и планете Массачусетского технологического института. «Эта базовая схема останется прежней. Однако глубинные изменения будут достаточно существенные, чтобы повлиять на остальную пищевую цепочку, которая держится на фитопланктоне».

Цвет океанов зависит от количества хлорофилла

Цвет океана зависит от того, как солнечный свет взаимодействует с тем, что находится в воде. Только молекулы воды поглощают почти весь солнечный свет, за исключением синей части спектра — она отражается. Следовательно, относительно бесплодные области открытого океана кажутся темно-синими из космоса. Если в океане есть какие-либо организмы, они могут поглощать и отражать световые волны различной длины, в зависимости от их индивидуальных свойств.

Фитопланктон, например, содержит хлорофилл, пигмент, который поглощает в основном синие участки солнечного света, производя углерод для фотосинтеза, и в меньшей степени — зеленые части. В результате, больше зеленого света отражается от океана, что придает областям, богатым водорослями, зеленоватый оттенок.

С конца 1990-х годов спутники постоянно измеряли цвет океана. Ученые использовали эти измерения для получения количества хлорофилла и, соответственно,  фитопланктона в конкретном районе океана. Но Даткевич говорит, что хлорофилл не обязательно будет отражать чувствительный сигнал изменения климата. Любые значительные колебания в хлорофилле вполне могут быть вызваны глобальным потеплением, но также — «природной изменчивостью», нормальными периодическими скачками в хлорофилле из-за природных явлений, связанных с погодой.

«Событие уровня Эль-Ниньо или Ла-Нинья вызовет очень большие изменения в хлорофилле, потому что меняет количество питательных веществ, поступающих в систему», говорит Даткевич. «Из-за этих больших, природных изменений, которые случаются каждые несколько лет, трудно понять, изменится ли ситуация из-за изменения климата, если просто смотреть на хлорофилл».

Моделирование океанского света

Вместо того, чтобы смотреть на полученные оценки хлорофилла, команда задалась вопросом, можно ли увидеть четкий сигнал о влиянии изменения климата на фитопланктон, если смотреть только на спутниковые измерения отраженного света.

Группа доработала компьютерную модель, которую использовала в прошлом для прогнозирования изменений фитопланктона при повышении температуры и подкислении океана. Эта модель берет информацию о фитопланктоне, такую как его потребляемая пища, и как он растет, и включает эту информацию в физическую модель, которая демонстрирует океанические течения и перемешивание.

На этот раз, впрочем, ученые добавили в модель новый элемент, который не был включен в другие методы моделирования океана: способность оценивать конкретные длины волн света, которые поглощаются и отражаются океаном, в зависимости от количества и типа организмов определенного региона.

«Солнечный свет попадает в океан, и все, что находится в океане, поглощает его, как хлорофилл», говорит Даткевич. «Другие вещи будут поглощать его или рассеивать. Так что определить, как свет будет отражаться от океана и придавать ему цвет, достаточно трудно.

Выяснилось, что модель ученых может использоваться для прогнозирования цвета океана при изменении условий окружающей среды в будущем. И самое лучшее в этом то, что его можно использовать в лаборатории.

Сигнал в сине-зеленых тонах

Когда ученые добавили в модель глобальные температуры и повысили их на 3 градуса к 2100 году — таков прогноз большинства ученых, если никаких действий по сокращению выброса парниковых газов предприниматься не будет — они обнаружили, что длины волн света в синем и зеленом частях спектра отреагировали быстрее всех.

Более того, этот сине-зеленый волновой диапазон демонстрирует очень четкий сигнал, или сдвиг, связанный с изменением климата: смещение происходит раньше, чем ожидалось, когда ученые смотрели на хлорофилл.

«Хлорофилл меняется, но вы не можете увидеть его из-за невероятной природной изменчивости», говорит Даткевич. «Однако вы можете увидеть значительное изменение климата в некоторых из этих диапазонов волн в сигнале, посылаемом на спутники. Так что именно здесь мы должны искать настоящий сигнал изменений в спутниковых измерениях».

Согласно модели ученых, изменение климата уже меняет состав фитопланктона, а значит и цвет океанов. К концу столетия наша голубая планета сильно изменится.

«К концу 21 века станет заметно изменение в цвете 50% океанов. Изменение будет довольно серьезным. Различные типы фитопланктона по-разному поглощают свет, и если изменение климата сместит одно сообщество фитопланктона другим, это также изменит типы пищевых цепочек, которые они могут поддерживать».