DOI: https://doi.org/10.1525/elementa.2023.00135
تاريخ النشر: 2024-01-01
المؤلف: Allison A. Fong وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الجليد في القطب الشمالي والقطب الجنوبي
نظرة عامة
تهدف بعثة “المختبر المتعدد التخصصات العائم لدراسة مناخ القطب الشمالي” (MOSAiC)، التي أجريت من أكتوبر 2019 إلى سبتمبر 2020، إلى دراسة العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية المعقدة داخل النظام القطبي الشمالي المركزي. ركز فريق النظام البيئي على ثلاثة مجالات بحثية رئيسية: التنوع البيولوجي، والدورات البيوجيوكيميائية، والروابط البيئية، مع معالجة الفجوات المعرفية الكبيرة واستكشاف الخصائص البيولوجية غير المعروفة سابقًا عبر دورة موسمية كاملة. تم استخدام مجموعة متنوعة من تقنيات أخذ العينات، بما في ذلك أخذ عينات من الجليد البحري، وأخذ عينات من الفتحات، وأخذ عينات المياه المعتمدة على الزهرة، واستخدام المركبات التي يتم تشغيلها عن بُعد، لجمع البيانات حول الخصائص الأساسية والعمليات أو المواطن المحددة.
أشارت النتائج الأولية من البعثة إلى نشاط بيولوجي مرتفع خلال فصل الشتاء وحددت النقاط الساخنة البيولوجية في مناطق لم يتم استكشافها بشكل كافٍ سابقًا. قدمت جهود أخذ العينات المنسقة رؤى قيمة حول التفاعلات متعددة التخصصات، مثل تأثير الكائنات الحية على تشكيل السحب القطبية. كما يناقش المقال الدروس المستفادة من هذه الحملة الميدانية الواسعة ويحدد المشاريع البحثية المستقبلية المحتملة التي ستبني على نتائج MOSAiC.
الطرق
استخدمت بعثة MOSAiC (PS122) نهجًا منظمًا للتحقيق في البيوجيوكيمياء القطبية، مع التركيز بشكل خاص على المركبات غير العضوية المذابة والغازات النادرة. تأثر الجدول الزمني للبعثة بجائحة COVID-19، مما أدى إلى تمديد المرحلة 3، التي انتهت في منتصف مايو 2020. بعد ذلك، أنشأت المرحلة 4 مرصدًا مركزيًا جديدًا من 20 يونيو إلى 31 يوليو 2020، قبل أن يتفكك الجليد. تضمنت المرحلة 5 إنشاء معسكر جليدي آخر بالقرب من القطب الشمالي في أواخر أغسطس، مع انتهاء دراسة انجراف الجليد في 20 سبتمبر 2020، بينما استمرت عمليات العلوم البيئية خلال فترة العودة.
ركز فريق البيوجيوكيمياء (BGC) على تبادل الغازات النادرة مع الغلاف الجوي ورصد مجموعة متنوعة من المعلمات البيوجيوكيميائية، بما في ذلك المغذيات الكبرى (النترات، الفوسفات، وحمض السيليسيك)، ومكونات نظام الكربونات (الكربون غير العضوي المذاب والقلوية الكلية)، ووصف المادة العضوية المذابة (DOM) في مياه البحر والجليد البحري. تسهم هذه الجهود في تطوير مجموعات البيانات المتزايدة لبرنامج العمل البيئي، مع توقع مزيد من التفاصيل حول برنامج BGC في المنشورات المستقبلية.
المناقشة
لقد تقدم بعثة MOSAiC بشكل كبير في فهمنا للنظام البيئي البحري في القطب الشمالي من خلال دمج الأبحاث عبر عدة تخصصات، بما في ذلك الغلاف الجوي، والجليد البحري، والمحيط، والنظام البيئي، والبيوجيوكيمياء. ركز فريق ECO، الذي يتكون من 25 مؤسسة من 15 دولة، على مجموعة واسعة من الأسئلة البيئية، من المجتمعات الميكروبية إلى تجمعات الأسماك، مع التأكيد على التنوع البيولوجي ووظيفة النظام البيئي. تهدف أبحاثهم إلى توضيح الروابط بين مستويات التغذية المختلفة والعوامل البيئية، مما يوفر رؤى حاسمة حول كيفية تأثير تغير المناخ على النظم البيئية القطبية. تؤكد النتائج على التنوع البيولوجي العالي والنشاط البيولوجي في القطب الشمالي، مما يتحدى الأفكار السابقة عن المنطقة كمنطقة فقيرة في الأنواع ويبرز الحاجة إلى دراسات موسمية شاملة لتقييم ديناميات النظام البيئي.
تكشف الأبحاث أن النظام البيئي البحري في القطب الشمالي يتميز بتنوع مكاني وزماني كبير، يتأثر بعوامل مثل درجة الحرارة، والملوحة، وتوافر المغذيات. تحدد الدراسة أنظمة إقليمية متميزة داخل القطب الشمالي، مما يبرز أهمية فهم الدورات الموسمية والترابط بين المواطن المختلفة، خاصةً في ظل التغيرات المستمرة بسبب ارتفاع درجة حرارة المناخ. تشير النتائج إلى أن التحولات في أنواع الجليد والكائنات الحية المرتبطة بها قد تعطل العلاقات البيئية القائمة، مع احتمال حدوث عدم تطابق في التفاعلات الغذائية. علاوة على ذلك، تسلط الأبحاث الضوء على دور العمليات البيولوجية في تنظيم الغازات النشطة مناخيًا، مما يشير إلى أن التغيرات في النظام البيئي البحري قد يكون لها آثار بعيدة المدى على نظام المناخ القطبي وما وراءه. بشكل عام، توفر بعثة MOSAiC إطارًا أساسيًا للدراسات المستقبلية التي تهدف إلى تعزيز قدراتنا التنبؤية بشأن استجابات النظام البيئي القطبي لتغير المناخ.
DOI: https://doi.org/10.1525/elementa.2023.00135
Publication Date: 2024-01-01
Author(s): Allison A. Fong et al.
Primary Topic: Arctic and Antarctic ice dynamics
Overview
The “Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate” (MOSAiC) expedition, conducted from October 2019 to September 2020, aimed to investigate the complex physical, chemical, and biological processes within the central Arctic system. The ecosystem team focused on three primary research areas: biodiversity, biogeochemical cycles, and environmental linkages, addressing significant knowledge gaps and exploring previously unknown biological properties across a full seasonal cycle. A variety of sampling techniques, including sea-ice coring, lead sampling, rosette-based water sampling, and the use of remotely operated vehicles, were employed to gather data on core properties and specific processes or habitats.
Initial findings from the expedition indicated high biological activity during winter and identified biological hotspots in previously underexplored areas. The coordinated sampling efforts provided valuable insights into cross-disciplinary interactions, such as the influence of biota on Arctic cloud formation. The article also discusses the lessons learned from this extensive field campaign and outlines potential future research projects that will build on the findings of MOSAiC.
Methods
The MOSAiC expedition (PS122) employed a structured approach to investigate Arctic biogeochemistry, particularly focusing on dissolved inorganic compounds and trace gases. The expedition’s timeline was affected by the COVID-19 pandemic, leading to an extended Leg 3, which concluded in mid-May 2020. Subsequently, Leg 4 established a new Central Observatory from June 20 to July 31, 2020, before the ice floe disintegrated. Leg 5 involved the establishment of another ice camp near the North Pole in late August, with the ice drift study concluding on September 20, 2020, while ECO science operations continued during the return transit.
The biogeochemistry (BGC) team concentrated on the exchange of trace gases with the atmosphere and monitored various biogeochemical parameters, including macronutrients (nitrate, phosphate, and silicic acid), components of the carbonate system (dissolved inorganic carbon and total alkalinity), and the characterization of dissolved organic matter (DOM) in seawater and sea ice. These efforts contribute to the evolving datasets of the ECO work program, with further details on the BGC program expected in future publications.
Discussion
The MOSAiC expedition has significantly advanced our understanding of the Arctic marine ecosystem by integrating research across multiple disciplines, including atmosphere, sea ice, ocean, ecosystem, and biogeochemistry. The ECO team, comprising 25 institutions from 15 nations, focused on a broad range of ecological questions, from microbial communities to fish populations, emphasizing biodiversity and ecosystem functioning. Their research aims to elucidate the interconnections between various trophic levels and environmental factors, thereby providing critical insights into how climate change impacts Arctic ecosystems. The findings underscore the high biodiversity and biological activity in the Arctic, challenging previous notions of the region as species-poor and highlighting the need for comprehensive seasonal studies to assess ecosystem dynamics.
The research reveals that the Arctic marine ecosystem is characterized by significant spatiotemporal variability, influenced by factors such as temperature, salinity, and nutrient availability. The study identifies distinct regional regimes within the Arctic, emphasizing the importance of understanding the seasonal cycles and connectivity between different habitats, particularly given the ongoing changes due to climate warming. The findings indicate that shifts in ice types and associated biota could disrupt established ecological relationships, with potential mismatches in trophic interactions. Furthermore, the research highlights the role of biological processes in regulating climate-active gases, suggesting that changes in the marine ecosystem could have far-reaching implications for the Arctic climate system and beyond. Overall, the MOSAiC expedition provides a foundational framework for future studies aimed at enhancing our predictive capabilities regarding Arctic ecosystem responses to climate change.