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欧盟资助的研究人员正在开发新一代海洋传感器，能够监测以前难以到达的区域，承诺提供更清晰的见解，了解海洋生态系统如何应对气候变化。

作者：迈克尔·艾伦

世界的海洋不仅支持重要的海洋生态系统，还为我们提供食物和娱乐。它们帮助调节地球的气候，吸收大量的热量和二氧化碳，充当地球对抗气候变化的最重要缓冲之一。

然而，尽管海洋扮演着如此重要的角色，科学家们仍然难以准确追踪海洋如何以及在哪里吸收和储存二氧化碳——以及这一过程如何变化。

根据欧盟的数据，海洋每年吸收约三分之一的人为二氧化碳排放。但观察数据稀少，这使得我们对海洋的理解存在巨大盲点。

科学家们长期以来依赖商业船只的测量和固定的锚泊点来研究海洋化学，但这些方法并未提供全面的覆盖。

“我们其实没有那么多观察数据，”芬兰海洋科学家雅尼-马库斯·林塔拉解释道，他在综合碳观测系统（ICOS）工作，这是一个测量空气、陆地和海洋中温室气体的欧洲研究网络。

这些数据帮助科学家了解碳的来源、去向，以及系统变化的速度。

“有时候，我们看起来知道的比实际多，因为模型给人一种我们已经监测到所有地方的印象。”他解释说，实际上，直接观察仅覆盖了大约3%的海洋。

林塔拉正在领导一个国际团队，旨在通过开发能够在正常航运路线之外以及深海中操作的传感器，扩展海洋观测能力——远离船只和人类干预。

他们的目标是持续监测海洋碳，时间可达数月甚至数年，包括一些至今基本无法触及的地方。

这项工作是一个名为GEORGE的欧盟资助倡议的一部分，该倡议计划于2027年结束。

该项目由ICOS协调，汇聚了来自欧洲各地的顶尖专家，包括三个主要研究基础设施：ICOS、欧洲多学科海底和水柱观测站（EMSO）以及阿尔戈全球海洋观测网络的欧洲部分Euro-Argo。

这项工作的核心是开发全球首个能够准确测量海洋总碱度的自主传感器——从海底到水面。

总碱度是科学家用来理解海洋碳系统、估算海水能吸收和储存多少二氧化碳的关键化学指标。

跟踪海洋酸化至关重要——这一过程是由上升的二氧化碳水平驱动的，降低了海水的 pH 值，并威胁到海洋生态系统，特别是建壳浮游生物和软体动物。

“海洋酸化对很多海洋生物都非常有害，”Rintala 说。“它可能导致连锁反应，影响整个食物网。”

到目前为止，总碱度通常是通过船上收集固定的海水样本，然后在岸上实验室分析来测量的。这种方法提供了有价值的数据，但仅限于孤立的时间和空间点。

“如果我们对整个海洋的碳含量感兴趣，我们需要进行更深入的测量，”位于英国国家海洋学中心 (NOC) 的海洋科学家 Socratis Loucaides 说。

Loucaides 和他在 NOC 的同事们正在领导一种全新的方法的开发：一种紧凑的芯片实验室传感器，它在仪器内部进行微型化学实验。

在设备内部，一个小的海水样本与已知浓度的酸和一种会随酸度变化颜色的染料混合。基于光的传感器随后读取这些颜色变化，以计算周围海水的碱度。

通过在深海直接进行这一操作，传感器可以更详细地描绘碳是如何随时间储存和运输的过程——并可能提前揭示变化的预警信号。

在部署之前，传感器必须证明它能够承受地球上一些最极端的条件：深海的巨大压力。

这项测试是在英国的一个高压设施中进行的，测试的压力相当于深达六公里的深度。

团队随后在真实环境中进行了试验，测试范围从浅水河口到水下着陆器和自主车辆。

在迄今为止最严峻的测试中，传感器被降至北大西洋水面下近5000米的深度。

在那里，它被安装在一个海底着陆器上，然后被放置在刺豚深渊持续观测站——一个位于水面下近五公里的偏远开放海洋监测站。

在这个深度，实时通信是无法实现的。传感器依靠电池供电，内部存储数据，直到着陆器被回收为止。

“我们要到2026年5月才能确切知道这次部署的结果，”Loucaides说。

展望未来，研究人员希望通过使用自主水下航行器从海底传感器收集数据，延长海底传感器的寿命，并降低部署的成本和风险。

更广泛的努力还旨在到达那些研究船很少到达的海洋区域，包括比如南极洋等易受风暴影响的区域。这是另一个名为TRICUSO的研究计划的任务，该计划建立在GEORGE的工作基础上。

为此，科学家们正在开发可以由自主水下航行器携带的传感器，从鱼雷形状的水下滑翔器，到风能和太阳能驱动的表面船，再到在洋流中漂流的仪器。

一些传感器将同时测量多个与碳相关的参数，而其他传感器则会在长途航行中收集和保存海水样本，以便后续进行实验室分析。

Rintala表示，迷你化和准确性是关键。更小、更轻的仪器需要更少的电力和化学试剂，这使得它们更容易广泛部署并长时间使用。

随着气候变化的加速，越来越多的自主传感器网络可能会把海洋中零散的测量数据转变为更密集、更详细的碳循环地图。

随着时间的推移，这些信息可能会揭示出海洋变化最快的地方、哪些区域接近临界阈值，以及海洋吸收碳的能力是如何演变的。

“我们面临着巨大的变化——以及许多未知，”Rintala说。“要理解发生了什么，以及它发生的速度，我们需要更多的测量数据，远超过现在的数量。”