Ежегодно в Южном океане происходит массовое цветение фитопланктона, поглощающего углекислый газ из атмосферы и служащего источником энергии для морской пищевой сети Антарктики. Научное сообщество уже давно связывает этот ежегодный «пульс жизни» с традиционными факторами, такими как солнечный свет, ветер и океанские течения, но новое исследование, проведенное Стэнфордским университетом, предполагает, что сейсмическая активность, скрытая под морским дном, может играть ключевую и упускаемую из виду роль в этом процессе.
Исследовательская группа проанализировала Южный океан, объединив данные спутниковых наблюдений и записи землетрясений, сосредоточив внимание на влиянии подводных землетрясений магнитудой 5 и выше на экосистему морской поверхности в первые несколько месяцев лета (до наступления лета в южном полушарии). Результаты показывают, что в годы, когда происходят эти более сильные землетрясения, локальные вспышки на поверхности моря во время последующих пиковых периодов роста фитопланктона становятся более масштабными и продуктивными, со значительными межгодовыми различиями. Кейси Шайн, первый автор исследования, отметил, что на спутниковых снимках площадь этого ежегодного цветения фитопланктона иногда может достигать размеров Калифорнии, а иногда сокращается до размеров штата Делавэр. Основным контролирующим фактором является интенсивность сейсмической активности в предыдущие месяцы.
Новые исследования показывают, что землетрясения косвенно «подпитывают» фитопланктон на поверхности моря, усиливая активность гидротермальных систем на морском дне. Так называемые гидротермальные жерла можно рассматривать как «естественную сеть трубопроводов» на морском дне: морская вода проникает глубоко в земную кору и нагревается, растворяя железо, марганец и другие металлы и микроэлементы, а затем вновь выбрасывается в морскую воду в виде богатых питательными веществами гидротермальных флюидов. Эти металлические элементы, особенно железо, являются одними из ключевых питательных веществ для роста фитопланктона.
В обычных обстоятельствах большинство гидротермальных материалов «заперты» в глубокой морской воде, что затрудняет временной подъем на поверхность с достаточным количеством света. Но когда на морском дне происходит землетрясение и литосфера разрушается, гидротермальная система за короткий промежуток времени «перегружается», и большие количества железосодержащего гидротермального флюида высвобождаются и более эффективно перемешиваются вверх. В исследовании этот процесс сравнивается с «перемешиванием котла, который долгое время молчал»: одной вибрации достаточно, чтобы переместить питательные вещества, отложившиеся на морском дне, обратно в водоем, в конечном итоге доставив питательные вещества в верхние слои экосистемы.
Стоит отметить, что это исследование впервые установило прямую связь между «подводной сейсмической активностью и вспышками фитопланктона на поверхности моря» на количественном уровне. Команда обнаружила, что железу, выброшенному из отверстия, необходимо пройти путь до глубины почти 1830 метров в течение недель или месяцев, прежде чем оно действительно сможет попасть в поверхностные воды, где преобладает свет. Эта скорость роста намного быстрее, чем предыдущее распространенное мнение о том, что для достижения поверхности моря потребуются десятилетия, что бросает вызов традиционному пониманию участия гидротермального железа в морских биогеохимических циклах.
В Южном океане железо является одним из ключевых питательных веществ, ограничивающих размножение фитопланктона. Даже если солнечного света и других питательных веществ достаточно, дефицит железа все равно будет сдерживать рост популяций фитопланктона. Таким образом, как только подводное землетрясение заставит гидротермальные системы активизироваться и высвободить большое количество железа, масштабы вспышек фитопланктона могут значительно увеличиться за короткий период времени. Такие вспышки поддерживают зоопланктон, рыбу и хищников более высокого трофического уровня вверх, а также увеличивают способность океана «вытягивать» углерод из атмосферы.
Фитопланктон поглощает углекислый газ посредством фотосинтеза и закрепляет его в своих клетках. Этот процесс образует основное звено «биологического насоса». Когда цветение фитопланктона расширяется, больше углекислого газа удаляется из поверхностных вод, а затем больше углерода транспортируется в глубины океана для долгосрочного хранения, поскольку организмы умирают и оседают, или детрит тонет после употребления в пищу. Однако доля этого механизма импорта железа, вызванного землетрясением, в глобальном углеродном цикле в настоящее время неизвестна.
Кевин Арриго, соответствующий автор статьи, отметил, что во многих морских районах мира существуют активные гидротермальные жерловые системы, которые постоянно выбрасывают следы металлов в океан. Теоретически они могут оказывать аналогичное воздействие на местный рост фитопланктона и поглощение углерода. Тем не менее, из этих глубоководных регионов океана зачастую чрезвычайно сложно получить образцы на земле, а существующие возможности наблюдения ограничены, поэтому остается сложной задачей точно оценить их влияние в планетарном масштабе.
В исследовании также подчеркивается, что землетрясения — это не непрерывный и стабильный источник питательных веществ, а случайные и внезапные «импульсные события». Традиционные морские экологические и климатические модели в основном рассматривают непрерывные физические процессы, такие как поля ветра, океанские течения и сезонное перемешивание, как доминирующие факторы, игнорируя при этом такие периодические геологические события, которые могут вызвать «чрезмерную реакцию». Результаты показывают, что учет этих эпизодических сейсмических поступлений питательных веществ может помочь более детально охарактеризовать межгодовые колебания продуктивности океана, особенно в таких чувствительных регионах, как Южный океан, которые хронически ограничены в питательных веществах.
Заглядывая в будущее, исследовательская группа считает, что следующим ключевым шагом будет выяснение более сложных механизмов связи между подводными землетрясениями, глубоководной циркуляцией и переносом питательных веществ, а также выяснение того, какие еще «геолого-биологические» скрытые зоны связи существуют в мировом океане. Поскольку технологии наблюдения и мониторинга продолжают развиваться, сейсмическая активность может стать еще одной важной переменной, которую научное сообщество должно учитывать при оценке реакции океана на изменения окружающей среды. Исследование было опубликовано в журнале Nature Geoscience и опубликовано Школой устойчивого развития Дорра при Стэнфордском университете.