После того как на Земле появились фотосинтезирующие организмы, большая часть жизни перешла к дыханию кислородом. Морские обитатели не исключение, но концентрации живительного газа, который растворен в водах Мирового океана, сильно различаются в зависимости от места и глубины. В некоторых областях его практически нет по разным причинам, в том числе из-за деятельности человека. Причем такие мертвые зоны склонны только расти. Чтобы отслеживать их изменения, американские океанологи создали первую детализированную карту подобных областей.
Бутыли Нансена (или Нишкина — по имени инженера, усовершенствовавшего конструкцию), закрепленные на розетке, которая будет плавно спускаться сквозь толщу океана. На целевых глубинах емкости откроются по одной и наполнятся водой, а также зарегистрируют давление и температуру в месте забора образца / ©Mary Lide Parker, MIT
Поскольку работу проводили американские ученые, для начала они выбрали мертвые зоны, по которым в их распоряжении было больше всего данных. Чтобы создать трехмерную карту областей с дефицитом кислорода (oxygen-deficient zones, ODZ), потребовалось разработать и обучить специальное программное обеспечение, в том числе пресловутые нейросети. Результатом стала максимально подробная на сегодня визуализация двух ODZ в тропическом регионе Тихого океана — по одной к северу и к югу от экватора.
Для выполнения картографирования понадобились данные более чем 15 миллионов измерений, сделанных на протяжении последних четырех десятилетий. Их выполнили как экспедиции исследовательских судов, так и автономные роботизированные зонды, запущенные по всему региону. Кроме того, как выяснили сотрудники Массачусетского технологического института (MIT), существующие методики замеров не отвечают необходимому уровню точности. Материалы бутылок для забора образцов и конструкций, окружающих внешние датчики, могут загрязнять воду связанным с ними кислородом.
В итоге ученые придумали альтернативный метод. Они брали в качестве итоговых значений измерений не показания конкретных датчиков, а изменения этих показаний на протяжении всего погружения в процессе исследования воды. Сравнивая данные, полученные за некий промежуток времени, с дискретными значениями, удалось внести необходимые поправки. Получилось едва ли не на порядок точнее, чем раньше было возможно, да и разрешение итоговой карты существенно выросло. Иными словами, в распоряжении исследователей оказалась визуализация беспрецедентной точности.
Из нее следует, что объем воды меньшей из картографированных ODZ, протягивающейся от побережья Южной Америки на запад, составляет 600 миллионов кубических километров. А та, что расположена севернее экватора и простирается на сотни километров от Центральной Америки, — без малого втрое больше. Причем ближе к центру этих зон мощность пласта лишенной кислорода воды достигает максимума, подходя совсем близко к поверхности и уходя вглубь почти на километр. А к внешним своим границам ODZ истончаются. Кроме того, по краям и на малых глубинах ODZ буквально прорезаются потоками богатой кислородом воды. Механизмы этого явления пока не ясны.
Рассказ о созданной специалистами MIT трехмерной карте и о том, какие трудности в процессе ее подготовки встретились на пути исследователей, размещен на сайте института. А научная работа со всеми техническими подробностями, методикой и собственно визуализацией опубликована в журнале Global Biogeochemical Cycles.
Двухмерная карта двух крупнейших в Тихом океане зон дефицита кислорода, построенная специалистами из MIT / ©Jarek Kwiecinski, Andrew Babbin, MIT
Исчезающий из воды кислород
Работа исследователей из MIT крайне важна для подробного мониторинга «здоровья» Мирового океана — как минимум чтобы иметь возможность в дальнейшем точно отслеживать изменения размеров и формы областей с дефицитом кислорода. Ведь они напрямую влияют на биоразнообразие морской среды. А это, в свою очередь, оказывает сильнейший эффект как на экологическую обстановку на Земле в целом, так и на возможности человечества по использованию ресурсов океана.
В норме морская вода содержит четыре-шесть миллиграммов кислорода на литр объема. Больше всего живительного газа у поверхности, куда он попадает из атмосферы, получающей его от фотосинтезирующих растений и планктона. Течениями вода перемешивается, и получается, что концентрация кислорода примерно одинакова вплоть до глубины в 200 метров. Дальше почти на километр вниз простирается сумеречная зона, где обитают аэробные бактерии, питающиеся спускающейся сверху органикой. Во время их жизнедеятельности кислород и расходуется.
Помимо бактерий, в сумеречной — или зоне кислородного минимума — постоянно обитает очень мало позвоночных. Крупным животным для существования в подобных условиях необходимы сложные адаптационные механизмы, выгода от которых не всегда достаточна. Остальная морская жизнь заходит в этот слой Мирового океана лишь при необходимости и старается ее покинуть при первой же возможности — дышать трудно. И это нормальное положение вещей, но с кислородом в воде связано еще одно явление: мертвые зоны, или DMZ.
В этих регионах концентрация необходимого для аэробной жизни газа еще ниже, иногда его не фиксируют даже самые чувствительные из используемых океанологами датчиков. В DMZ могут жить только анаэробы, и то далеко не все: у многих морских видов основу рациона составляют дышащие кислородом бактерии, которых по понятным причинам вокруг нет. Мертвых зон в Мировом океане много: какие-то сезонные, другие — постоянные, третьи — временные.
Их размеры и время существования определяются рядом факторов, среди которых не последнее время занимает деятельность человека. Выбросы химических реагентов из мусора и в результате слива сточных вод убивают фотосинтезирующие организмы и прочую живность, а их «трупы» съедают аэробные бактерии. В итоге и кислород потрачен, и восполнить его некому. Кроме того, температура воды тоже сильно влияет на ее оксигенацию. Одно из главных опасений океанологов, связанное с глобальным потеплением, — рост среднегодовой температуры на Земле спровоцирует потерю кислорода Мировым океаном. А это приведет к катастрофическим последствиям для всех экосистем.
