海洋表層熱鬧非凡，船只往來穿梭、風(fēng)暴攪動海水，衛(wèi)星從上空監(jiān)測著一切。但在 1000 米以下的深海，一支隱蔽的機(jī)器人艦隊(duì)正在 “聆聽” 這顆星球最大生命支持系統(tǒng)的壓力信號。

Nature Communications 期刊發(fā)表的最新研究顯示，海洋熱浪正干擾海洋將表層碳輸送至深海長期儲存的能力。這項(xiàng)研究完全依賴自主 “生物地球化學(xué)” 剖面探測浮標(biāo) —— 它們在海洋中漂流、下潛，近乎實(shí)時收集數(shù)據(jù)，是美國主導(dǎo)的全球海洋生物地球化學(xué)（GO-BGC）陣列的核心組成部分，該項(xiàng)目由加利福尼亞州蒙特雷灣水族館研究所（MBARI）牽頭。

這些圓柱形耐壓設(shè)備采用鋁合金外殼，內(nèi)置生物光學(xué)傳感器、GPS / 銥星天線，以及鋰電池或混合電池。它們監(jiān)測關(guān)鍵的生物、物理和化學(xué)特性（這也是其 “生物地球化學(xué)” 命名的由來），包括氧氣、pH 值、硝酸鹽、懸浮顆粒物、葉綠素，以及溫度、電導(dǎo)率和深度。MBARI 已在全球部署超過 330 臺搭載先進(jìn)生物地球化學(xué)傳感器的機(jī)器人，加入了 26 年前啟動的國際網(wǎng)絡(luò) —— 該網(wǎng)絡(luò)目前擁有 4000 多臺阿爾戈（Argo）浮標(biāo)。

“我把它們比作測量海洋的新陳代謝。”MBARI 資深科學(xué)家 Ken Johnson 說，他是這項(xiàng)新研究的合著者，同時擔(dān)任 GO-BGC 項(xiàng)目的首席研究員。“如果你感覺不舒服去醫(yī)院，醫(yī)生不會立刻讓你做核磁共振，而是先測生命體征 —— 這些浮標(biāo)的作用正是如此。”

海洋碳循環(huán)追蹤

富含碳的顆粒物能下沉多深，是追蹤海洋碳循環(huán)（其代謝引擎）的核心。生物地球化學(xué)阿爾戈（BGC-Argo）浮標(biāo)可探測深海氧氣水平，幫助科學(xué)家確定細(xì)菌分解下沉有機(jī)物的位置和方式。在阿拉斯加灣，碳往往在下沉不深時就返回大氣；而在南大洋，碳能擴(kuò)散至更深處，使該區(qū)域成為更強(qiáng)大的碳匯。

歷史上，持續(xù)監(jiān)測海洋碳輸送過程的全部深度幾乎是不可能的。衛(wèi)星傳感器主要局限于海洋表層和上部透光層，無法直接觀測深層水體；高精度船載調(diào)查能提供詳細(xì)數(shù)據(jù)，但受日程、天氣和成本限制。

“關(guān)鍵是讓這些化學(xué)和生物傳感器持續(xù)運(yùn)行，告訴你每年的變化差異。”Johnson 說，“僅靠出海幾周，根本無法理解海洋對多次熱浪的響應(yīng)。但浮標(biāo)全年無休 —— 即使在圣誕節(jié)、感恩節(jié)，或是天氣惡劣沒人愿意出海的冬季，都在工作。我參與過最長的航行是 58 天，這已經(jīng)夠久了，沒人愿意在船上待好幾年。”

盡管 MBARI 的機(jī)器人能捕捉比衛(wèi)星和船只更廣泛的數(shù)據(jù)，但它們并非替代方案。Johnson 表示三者存在協(xié)同作用：“衛(wèi)星只能觀測少數(shù)指標(biāo)，浮標(biāo)能看到更多，而船只觀測的內(nèi)容更詳盡。將它們結(jié)合起來，彼此互補(bǔ)，能讓我們獲得更深入的理解。”

生物地球化學(xué)機(jī)器人如何工作？

在典型工作周期中，BGC-Argo 浮標(biāo)下潛至約 1000 米深度，跟隨特定水團(tuán)漂流 10 天。每個浮標(biāo)都有中央處理器，同步機(jī)載傳感器的讀數(shù)。浮力泵通過膨脹和收縮外部油囊，讓浮標(biāo)下潛至 2000 米，隨后上浮，上浮過程中持續(xù)收集數(shù)據(jù)。

當(dāng)天線露出海面時，浮標(biāo)通過銥星衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，之后立即再次下潛。根據(jù)國際協(xié)議，數(shù)據(jù)會在一天內(nèi)公開，以便進(jìn)入其他國家的經(jīng)濟(jì)區(qū)。

雖然浮標(biāo)的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)收集任務(wù)完全自主，但研究人員可通過衛(wèi)星遠(yuǎn)程調(diào)整某些參數(shù)（如循環(huán)周期）。Johnson 說，這一控制功能在颶風(fēng)或火山爆發(fā)期間的靶向監(jiān)測中非常有用。

該項(xiàng)目由美國國家科學(xué)基金會 2020 年授予的 5300 萬美元撥款資助，MBARI 研發(fā)并校準(zhǔn)了浮標(biāo)的關(guān)鍵生物地球化學(xué)傳感器，包括如今在全球廣泛使用的 SeaFET 海洋 pH 值監(jiān)測技術(shù)。華盛頓大學(xué)與 Teledyne Webb Research 合作制造浮標(biāo)，提供零件套件和組裝服務(wù)。Johnson 表示，任何更新上線前，華盛頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)都會進(jìn)行加速時間尺度模擬，對浮標(biāo)進(jìn)行壓力測試，以識別潛在故障模式。

每個浮標(biāo)的使用壽命約為 250 次垂直下潛 - 漂流 - 上浮周期，最長可達(dá) 7 年。“每年約有 5% 的浮標(biāo)因腐蝕、連接問題等孤立原因損壞。有時它們在海面會被船只撞到，或是卡在海底。”Johnson 說。

機(jī)器人揭示的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

MBARI 在 Nature Communications 的新研究中，利用浮標(biāo)觀測了 2013-2015 年阿拉斯加灣北太平洋大規(guī)模海洋熱浪（被稱為 “blob”）及其 2019-2020 年后續(xù)事件的影響。研究人員將浮標(biāo)數(shù)據(jù)與加拿大漁業(yè)和海洋部 Line P 項(xiàng)目的船載調(diào)查季節(jié)性數(shù)據(jù)相結(jié)合，后者追蹤浮游生物色素和海水樣本中的環(huán)境 DNA。

浮游生物的生命周期對地球儲存二氧化碳至關(guān)重要。當(dāng)浮游生物在表層生長、死亡，或被其他浮游生物、魚類捕食后，產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)會以微小顆粒或糞便團(tuán)的形式沉入水體。“碳 - 氣候科學(xué)的一個核心問題是，浮游生物產(chǎn)生的碳能下沉多深？”Johnson 說，“如果碳只下沉 100 米，就會被細(xì)菌再礦化，轉(zhuǎn)化回二氧化碳，重新混入大氣，無法實(shí)現(xiàn)真正的碳封存。但如果這些物質(zhì)下沉 2 公里，就會在數(shù)百年內(nèi)與大氣隔絕。”

Johnson 補(bǔ)充道：“對我來說，核心結(jié)論是，這些熱浪會改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) —— 影響浮游生物及其活動方式，而碳輸出和海洋碳封存能力的這些變化，正以我們此前未曾意識到的方式改變海洋為人類提供的服務(wù)。海洋為我們提供海鮮，吸收約 95% 的人為排放大氣熱量，儲存大量二氧化碳。現(xiàn)在我們看到，它持續(xù)提供這些服務(wù)的能力并非理所當(dāng)然，海洋熱浪可能會改變這一切。”

MBARI 團(tuán)隊(duì)正應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)提取新的生物地球化學(xué)洞見。在 8 月發(fā)表于《全球生物地球化學(xué)循環(huán)》的研究中，他們利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析 BGC-Argo 浮標(biāo)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)南大洋的硝酸鹽產(chǎn)量在 20 多年來持續(xù)上升。該區(qū)域?qū)μ嘉蘸腿驙I養(yǎng)分布調(diào)節(jié)至關(guān)重要。

若缺乏額外支持，該項(xiàng)目的未來尚無保障。用于構(gòu)建美國 BGC-Argo 艦隊(duì)的 5300 萬美元國家科學(xué)基金會撥款將于今年到期，Johnson 表示目前尚未獲得延續(xù)資金。