果壳有意思
  • 注册
  • 下载客户端
  • 手机扫码下载
    全新果壳APP
1849
需用时 03:41
说好的黑海,怎么就绿了?

大多数夏天来临之时,黑海(Black Sea)都会变得像一颗巨大的绿松石,镶嵌在欧洲东南部和亚洲小亚细亚半岛之间。浅水层中大量的浮游植物活跃了起来,创作出一幅美丽的水生艺术作品[1]。美国国家航空航天局(NASA)的海洋科学家诺曼·库宁(Norman Kuring)表示,2017年黑海的这种变化已经接近峰值,并且是自2012年以来最耀眼的一次[2]

2017年5月29日,卫星图像显示了黑海浮游植物的爆发。 图片来源:诺曼·库宁 /美国国家航空航天局

绿松石(Turquoise)意为土耳其石。图为25毫米长的卵状绿松石。图片来源:wikipedia.org

说好的“黑海”,为什么变成了绿松色?

黑海是世界上最深陆缘海之一,因其水色深暗、多风暴而得名。

2013年4月25日的黑海。没有浮游植物大爆发的时候,水色深暗的黑海显得格外沉静。图片来源:美国国家航空航天局

作为世界上最大的不完全混合水体,黑海的表层和下层水体是两个截然不同的世界。距黑海水面的220米之下那约占总水量90%的水体都极度缺氧,被认为是“死亡区域”(dead zone),只有厌氧微生物新陈代谢释放出二氧化碳和对鱼类有毒的硫化氢。硫化氢呈黑色,致使深层海水呈现黑色。在这种环境下,许多古船骸得以相当完好地保存下来[3][4]

相比之下,黑海浅层水每年夏天都会有一段时期被大量浮游植物繁殖占领。黑海一年一度变得像绿松石一般绚丽的景象,最可能归功于这些浮游植物。

2012年7月15日的黑海。图片来源:诺曼·库宁 /美国国家航空航天局 

浮游植物是怎么让黑海变色的

分散在黑海表面的这种蓝绿相间、夹杂奶白色的图案十分绚烂,引发这一现象的浮游植物最有可能是钙板金藻(Coccolithophore)。

显微镜下的钙板金藻。图片来源:Steve Gschmeissner/Science Photo Library

钙板金藻是一种单细胞真核的浮游植物,个体为约5-100微米的球形细胞,肉眼无法辨识,广泛分布于海洋表面[5]。它的显著识别标志之一是被叫做Coccoliths的碳酸钙板所包围,单个的钙板金藻至少拥有30个像轮胎一样的碳酸钙板构成的白色“盔甲”[6]

当钙板金藻大量无性繁殖、死亡或者单纯地产生了太多的碳酸钙板时,这些“轮胎”就会沉入海底,数万亿钙板金藻聚集在一起,卸下“盔甲”,将蓝绿色的海水搅混。如果把这个场景比作画家的调色板,就是将一小块白色颜料滴进一片蓝绿色中,从而得到绿松石色。

这些藻类的寿命只有短短几天。它们死后,碳酸钙板以每天近4英寸(约10厘米)的速度缓缓下沉——美国缅因州毕格罗实验室(Bigelow Laboratory)的海洋科学高级研究员巴尔博士(Dr. William M. Balch)把它们比作 “海洋的头皮屑”[1]。它们的存在可以使黑海那动人的蓝绿色持续数周。

显微镜下可见钙板金藻的碳酸钙板形态。图片来源:wikimedia.org

值得注意的是,并不是所有的浮游植物大爆发都会使得水体发亮,例如同样在黑海中生存着的硅藻类(Diatoms)就会使水体看起来更暗[2]

钙板金藻对环境有什么作用?

不同于大多数藻类喜爱阳光和丰富深海营养的特性,钙板金藻更喜欢生活在相对静止的水域,营养物质不需太丰富、温度适中即可。因而当竞争对手因某片水域营养物质匮乏而无法大量繁殖时,钙板金藻会迅速巩固主导地位,成为占该片水域的90%以上的浮游植物,为许多小型鱼类和浮游动物提供养分[6]

钙板金藻对碳循环具有长期和短期的影响。它们合成碳酸钙板时会形成稳定的方解石沉入海底形成沉积物,同时也会产生温室气体二氧化碳。碳酸钙的产生使得海洋表面的碱度下降,而在低碱度条件下,二氧化碳将会被释放回大气 [7]。因此,在短期内,钙板金藻可能会加剧全球气候变暖。但是长期来看,它有助于大气中二氧化碳浓度的降低的功能被广泛认可。巴尔博士提到,这些碳酸钙板是加速海洋碳固化的生物泵,正是有它们的存在才使得海洋吸收了更多的二氧化碳 [8]

某个阳光灿烂的星期三,伊斯坦布尔的孩子们在满是浮游植物的博斯普鲁斯海峡边嬉戏。图片来源:Lefteris Pitarakis /美联社

钙板金藻的大量繁殖,会增加光线的反射率,同时减少海洋原本可以吸收的热量[6]。与此同时,钙板金藻的细胞壁外会产生一种叫二甲硫醚(DMS)的化学物质,它们会逸散到空气中变成云层的凝结核,使云量增加反射更多光和热,减缓温室效应,对地球有非常重要的贡献 [9]。然而,目前大气中二氧化碳的浓度正在因为人为等因素不断升高,过量的二氧化碳会加速海洋表面酸化,将进一步影响钙板金藻的固碳机制,如钙化速率等,长期来看还可能会影响其物种进化、改变遗传物质[10]

其他地区还有类似的现象发生吗?

钙板金藻分布在世界各地,具体分布情况随海洋分层和气候带而变化。大部分钙板金藻生活在亚极区,在澳大利亚北部海岸和冰岛周围的水域也有规律性的短期大规模繁殖现象。近几年在水体营养较为丰富的地区,如白令海(the Bering Sea),也发生过大规模爆发事件[6][11]。水温,进入水面的光强度、洋流为决定钙板金藻种类和分布的主要因素[12]

挪威北部的巴伦支海。图片来源:Jacques Descloitres, MODIS Rapid Response Team, NASA/GSFC

南非西海岸。图片来源:Jeff Schmaltz, MODIS Rapid Response Team, NASA/GSFC

加拿大新斯科舍。图片来源:Jeff Schmaltz, MODIS Rapid Response Team, NASA/GSFC

今夏的黑海,钙板金藻爆发规模如此庞大的原因仍然不得而知。巴尔博士表示,有可能是更温暖分层更明显的水体增加了光的利用率,有可能是竞争对手的减少[1] 。而来自土耳其著名的海峡大学(Bogazici University)的环境工程师Berat Haznedaroglu表示,有可能是暴风雨带来了撒哈拉以南的营养物质[13],为浮游植物的生长提供了绝佳的环境。无论如何,要是你有幸亲眼见到了这景象,尽管放下顾虑欣赏这大自然的艺术就好。

参考资料:

  1. Klein, J. The Black Sea Turned Turquoise, Thanks to a Phytoplankton Bloom. Nytimes.com (2017). at <https://www.nytimes.com/2017/06/16/science/black-sea-turkey-turquoise-plankton.html?rref=collection%252Fsectioncollection%252Fscience>
  2. Hansen, K. & Lem, P. Turquoise Swirls in the Black Sea : Image of the Day. Earthobservatory.nasa.gov (2017). at <https://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=90318>
  3. 李, 宏. 地理中的自然奇观. (青苹果数据中心, 2015).
  4. Exploring Ancient Mysteries: A Black Sea Journey. Ceoe.udel.edu (2003). at <http://www.ceoe.udel.edu/blacksea/research/index.html>
  5. Moheimani, N., Webb, J. & Borowitzka, M. Bioremediation and other potential applications of coccolithophorid algae: A review. Algal Research 1, 120-133 (2012).
  6. Weier, J. What is a Coccolithophore? Fact Sheet : Feature Articles. Earthobservatory.nasa.gov (1999). at <https://earthobservatory.nasa.gov/Features/Coccolithophores/>
  7. Bates, N., Michaels, A. & Knap, A. Alkalinity changes in the Sargasso Sea: geochemical evidence of calcification?. Marine Chemistry 51, 347-358 (1996).
  8. Betz, L. Carbon Eaters on the Black Sea : Image of the Day. Earthobservatory.nasa.gov (2012). at <https://earthobservatory.nasa.gov/IOTD//view.php?id=78705>
  9. 钙板金藻 | Wikiwand. Wikiwand (2017). at <http://www.wikiwand.com/zh-sg/%E9%88%A3%E6%9D%BF%E9%87%91%E8%97%BB>
  10. O’Dea, S. et al. Coccolithophore calcification response to past ocean acidification and climate change. Nature Communications 5, 5363 (2014).
  11. NASA Visible Earth: A catalog of NASA images and animations of our home planet. Visibleearth.nasa.gov (2017). at <https://visibleearth.nasa.gov/view_cat.php?categoryID=496>
  12. Boeckel, B., Baumann, K., Henrich, R. & Kinkel, H. Coccolith distribution patterns in South Atlantic and Southern Ocean surface sediments in relation to environmental gradients. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers 53, 1073-1099 (2006).
  13. Microscopic organisms turn Istanbul's shores turquoise. AP News (2017). at <https://apnews.com/8b3e84f1e3674579b260931cacc217e2?utm_campaign=SocialFlow&utm_source=Twitter&utm_medium=AP>

(编辑:Calo)

The End

发布于2017-06-30, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

我的评论

松鼠Renee

果壳作者

pic