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海洋表层热闹非凡，船只往来穿梭、风暴搅动海水，卫星从上空监测着一切。但在 1000 米以下的深海，一支隐蔽的机器人舰队正在 “聆听” 这颗星球最大生命支持系统的压力信号。

Nature Communications 期刊发表的最新研究显示，海洋热浪正干扰海洋将表层碳输送至深海长期储存的能力。这项研究完全依赖自主 “生物地球化学” 剖面探测浮标 —— 它们在海洋中漂流、下潜，近乎实时收集数据，是美国主导的全球海洋生物地球化学（GO-BGC）阵列的核心组成部分，该项目由加利福尼亚州蒙特雷湾水族馆研究所（MBARI）牵头。

这些圆柱形耐压设备采用铝合金外壳，内置生物光学传感器、GPS / 铱星天线，以及锂电池或混合电池。它们监测关键的生物、物理和化学特性（这也是其 “生物地球化学” 命名的由来），包括氧气、pH 值、硝酸盐、悬浮颗粒物、叶绿素，以及温度、电导率和深度。MBARI 已在全球部署超过 330 台搭载先进生物地球化学传感器的机器人，加入了 26 年前启动的国际网络 —— 该网络目前拥有 4000 多台阿尔戈（Argo）浮标。

“我把它们比作测量海洋的新陈代谢。”MBARI 资深科学家 Ken Johnson 说，他是这项新研究的合著者，同时担任 GO-BGC 项目的首席研究员。“如果你感觉不舒服去医院，医生不会立刻让你做核磁共振，而是先测生命体征 —— 这些浮标的作用正是如此。”

海洋碳循环追踪

富含碳的颗粒物能下沉多深，是追踪海洋碳循环（其代谢引擎）的核心。生物地球化学阿尔戈（BGC-Argo）浮标可探测深海氧气水平，帮助科学家确定细菌分解下沉有机物的位置和方式。在阿拉斯加湾，碳往往在下沉不深时就返回大气；而在南大洋，碳能扩散至更深处，使该区域成为更强大的碳汇。

历史上，持续监测海洋碳输送过程的全部深度几乎是不可能的。卫星传感器主要局限于海洋表层和上部透光层，无法直接观测深层水体；高精度船载调查能提供详细数据，但受日程、天气和成本限制。

“关键是让这些化学和生物传感器持续运行，告诉你每年的变化差异。”Johnson 说，“仅靠出海几周，根本无法理解海洋对多次热浪的响应。但浮标全年无休 —— 即使在圣诞节、感恩节，或是天气恶劣没人愿意出海的冬季，都在工作。我参与过最长的航行是 58 天，这已经够久了，没人愿意在船上待好几年。”

尽管 MBARI 的机器人能捕捉比卫星和船只更广泛的数据，但它们并非替代方案。Johnson 表示三者存在协同作用：“卫星只能观测少数指标，浮标能看到更多，而船只观测的内容更详尽。将它们结合起来，彼此互补，能让我们获得更深入的理解。”

生物地球化学机器人如何工作？

在典型工作周期中，BGC-Argo 浮标下潜至约 1000 米深度，跟随特定水团漂流 10 天。每个浮标都有中央处理器，同步机载传感器的读数。浮力泵通过膨胀和收缩外部油囊，让浮标下潜至 2000 米，随后上浮，上浮过程中持续收集数据。

当天线露出海面时，浮标通过铱星卫星网络传输数据，之后立即再次下潜。根据国际协议，数据会在一天内公开，以便进入其他国家的经济区。

虽然浮标的预设数据收集任务完全自主，但研究人员可通过卫星远程调整某些参数（如循环周期）。Johnson 说，这一控制功能在飓风或火山爆发期间的靶向监测中非常有用。

该项目由美国国家科学基金会 2020 年授予的 5300 万美元拨款资助，MBARI 研发并校准了浮标的关键生物地球化学传感器，包括如今在全球广泛使用的 SeaFET 海洋 pH 值监测技术。华盛顿大学与 Teledyne Webb Research 合作制造浮标，提供零件套件和组装服务。Johnson 表示，任何更新上线前，华盛顿大学团队都会进行加速时间尺度模拟，对浮标进行压力测试，以识别潜在故障模式。

每个浮标的使用寿命约为 250 次垂直下潜 - 漂流 - 上浮周期，最长可达 7 年。“每年约有 5% 的浮标因腐蚀、连接问题等孤立原因损坏。有时它们在海面会被船只撞到，或是卡在海底。”Johnson 说。

机器人揭示的关键发现

MBARI 在 Nature Communications 的新研究中，利用浮标观测了 2013-2015 年阿拉斯加湾北太平洋大规模海洋热浪（被称为 “blob”）及其 2019-2020 年后续事件的影响。研究人员将浮标数据与加拿大渔业和海洋部 Line P 项目的船载调查季节性数据相结合，后者追踪浮游生物色素和海水样本中的环境 DNA。

浮游生物的生命周期对地球储存二氧化碳至关重要。当浮游生物在表层生长、死亡，或被其他浮游生物、鱼类捕食后，产生的有机物质会以微小颗粒或粪便团的形式沉入水体。“碳 - 气候科学的一个核心问题是，浮游生物产生的碳能下沉多深？”Johnson 说，“如果碳只下沉 100 米，就会被细菌再矿化，转化回二氧化碳，重新混入大气，无法实现真正的碳封存。但如果这些物质下沉 2 公里，就会在数百年内与大气隔绝。”

Johnson 补充道：“对我来说，核心结论是，这些热浪会改变生态系统结构 —— 影响浮游生物及其活动方式，而碳输出和海洋碳封存能力的这些变化，正以我们此前未曾意识到的方式改变海洋为人类提供的服务。海洋为我们提供海鲜，吸收约 95% 的人为排放大气热量，储存大量二氧化碳。现在我们看到，它持续提供这些服务的能力并非理所当然，海洋热浪可能会改变这一切。”

MBARI 团队正应用机器学习技术提取新的生物地球化学洞见。在 8 月发表于《全球生物地球化学循环》的研究中，他们利用神经网络分析 BGC-Argo 浮标数据，发现南大洋的硝酸盐产量在 20 多年来持续上升。该区域对碳吸收和全球营养分布调节至关重要。

若缺乏额外支持，该项目的未来尚无保障。用于构建美国 BGC-Argo 舰队的 5300 万美元国家科学基金会拨款将于今年到期，Johnson 表示目前尚未获得延续资金。

关键词： 机器人 海洋 碳循环