Потеря морского льда меняет цвет света в океане

Исчезновение морского льда в полярных регионах из-за глобального потепления не только увеличивает количество света, попадающего в океан, но и меняет его цвет. Эти изменения имеют далеко идущие последствия для фотосинтезирующих организмов, таких как ледяные водоросли и фитопланктон.

К такому выводу пришли авторы нового исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, под руководством морских биологов Моники Соя-Возняк и Джефа Хейсмана из Института биоразнообразия и динамики экосистем (IBED) при Амстердамском университете.

Международная исследовательская группа, в которую также входили физик-химик Сандер Воутерсен (HIMS/UvA) и коллеги из Нидерландов и Дании, исследовала, как потеря морского льда изменяет подводную световую среду. Морской лёд и морская вода принципиально различаются по тому, как они пропускают свет. Морской лёд сильно рассеивает свет и отражает большую его часть, пропуская при этом лишь небольшое его количество.

Тем не менее, это ограниченное количество света все ещё содержит почти полный спектр видимых длин волн. Напротив, морская вода поглощает красный и зелёный свет , в то время как синий свет проникает глубоко в толщу воды . Это то, что придает океану его синий цвет.

Молекулярные колебания воды

Другое ключевое различие между льдом и жидкой водой заключается в роли молекулярных колебаний. В жидкой воде молекулы H₂O могут свободно перемещаться и вибрировать, что приводит к образованию отдельных полос поглощения на определенных длинах волн. Эти полосы выборочно удаляют части светового спектра, создавая пробелы в свете, доступном для фотосинтеза.

Предыдущие исследования Маайке Стомпа и профессора Хейсмана продемонстрировали, что эти особенности молекулярного поглощения создают «спектральные ниши» — отдельные наборы длин волн, доступных для фотосинтезирующих организмов. Фитопланктон и цианобактерии выработали множество пигментов, настроенных на различные спектральные ниши, что определяет их глобальное распределение в океанах, прибрежных водах и озерах.

Однако во льду молекулы воды заперты в жесткую кристаллическую решетку. Эта фиксированная структура подавляет их способность к молекулярным колебаниям и тем самым изменяет их абсорбционные свойства. Как следствие, во льду отсутствуют полосы поглощения жидкой воды, и, следовательно, под морским льдом сохраняется более широкий спектр света. Это фундаментальное различие играет ключевую роль в спектральном сдвиге, который происходит при таянии морского льда.

Экологические последствия

По мере исчезновения морского льда и появления открытой воды подводная световая среда смещается от широкого спектра цветов к более узкому, с преобладанием синего цвета. Это спектральное изменение имеет решающее значение для фотосинтеза.

«Фотосинтетические пигменты водорослей, живущих подо льдом, приспособлены для оптимального использования широкого спектра цветов, присутствующих в небольшом количестве света, проходящего через лёд и снег», — говорит ведущий автор Соя-Возняк. «Когда лёд тает, эти организмы внезапно оказываются в среде с преобладанием синего цвета, что обеспечивает меньшую пригодность для их пигментов».

Используя оптические модели и спектральные измерения, исследователи показали, что это изменение цвета света не только изменяет производительность фотосинтеза, но и может привести к изменениям в составе видов. Виды водорослей, специализирующиеся на синем свете, могут получить сильное конкурентное преимущество по сравнению с ледяными водорослями.

По словам профессора Хейсмана, эти изменения могут иметь каскадные экологические эффекты. «Фотосинтезирующие водоросли формируют основу арктической пищевой сети. Изменения в их продуктивности или видовом составе могут распространяться вверх и влиять на рыб, морских птиц и морских млекопитающих. Более того, фотосинтез играет важную роль в естественном поглощении CO 2 океаном».

В исследовании подчеркивается, что изменение климата в полярных регионах не просто приводит к таянию льдов — оно вызывает фундаментальные сдвиги в ключевых процессах, таких как пропускание света и поток энергии в морских экосистемах.

Результаты подчеркивают важность более явного включения световых спектров и фотосинтеза в климатические модели и прогнозы состояния океана, особенно в полярных регионах, где изменение окружающей среды ускоряется беспрецедентными темпами.

Ведёт расследования о коррупции в любых эшелонах власти