Ocean's 'Twilight Zone' Plays Important Role In Climate Change
Science Daily — 一項針對海洋的研究揭開了海洋結構斷面中，一層名為「灰色地帶」（twilight zone）洋流層的秘密，據信這一層海洋對於二氧化碳的吸收與釋放與大氣成分的影響息息相關。
圖1. This "quilt" of microscopic ocean organisms collected during the 2005 VERTIGO cruise to the North Pacific was created by Mary Wilcox Silver, professor of oceanography at the University of California, Santa Cruz. (Credit: Mary Wilcox Silver, University of California, Santa Cruz)
在這一期全球知名的《科學》期刊中，兩組國際研究團隊共同發表了一項有關太平洋對於大氣中二氧化碳的影響。其研究成果並成為該期《科學》期刊的封面照片。
圖2. COVER Microscopic marine plants (Chaetoceros, a chain-forming diatom) are consumed by zooplankton animals (Neogloboquadrina, a foraminifera, lower inset; tail of Neocalanus copepod, upper inset). Marine plankton food webs can affect climate by regulating the removal of carbon dioxide in surface waters and transporting this carbon to the deep sea via sinking particles. See page 567. Photos: Mary Silver（圖片來源：http://www.sciencemag.org/content/vol316/issue5824/cover.dtl）
二氧化碳會因為海洋表層的浮游生物進行光合作用的關係而儲存在這一層，因此並不需要沈入海底的深處。在這一層中，二氧化碳是以被儲存的形式存在，並且可以阻止此一溫室氣體再度被釋放回大氣層中。取而代之的，碳若成為海洋顆粒而被轉移至海洋的深處時，也就是大約距海平面深 100 至 1000 公尺的灰暗層，那裡所存在的海底動物及細菌會消耗及回收掉這些二氧化碳，使得二氧化碳絕對到達不了海底的深處。
圖3. 海洋各層之間的分別，其中，Mesopelagic 就是 Twilight Zone。（大圖片：http://en.wikipedia.org/wiki/Pelagic）
利用嶄新的科技，研究人員發現夏威夷海域附近的灰暗層，其海洋表面的總碳含量只有 20%，而西北太平洋及日本海域則有 50%。
灰暗層就樣扮演著「閘門」的角色，讓許多下沈的粒子在同一地區中通過而非其它地區，這讓科學家們得以預測海洋中此一現象對於溫室氣體的抵銷作用究竟有著哪些衝擊。同時也提供了一個藉由讓海洋中鐵的含量變得富饒來緩和氣候改變的新對策。為什麼是鐵呢？因為鐵可以提升海洋植物進行光合作用時的速率，同時也可以加速從空氣中轉移更多的二氧化碳到海中。
「灰暗層是連結海洋表面以及深海層的一個重要連結者。」來自伍茲霍爾海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution，簡稱 WHOI）的生物地質化學家，同時也是本篇《自然》期刊研究帶領著其他 17 位科學家的主要領導人 Ken Buesseler 這樣說到。「我們對於灰暗層中到底發生了什麼事情相當的感興趣，什麼東西沈入其中？以及什麼東西又從其中釋放？除非碳透過其他所有的方法進入到深海中並且靜靜的儲存在那邊，否則碳還是會藉由其他的方式再度回到大氣層中。若沒有長時間的儲存，這對於大氣中二氧化碳的含量影響是相當小的，因為這個溫室氣體將會影響著全球的氣候。」
在 2004 年及 2005 年時，Buesseler 也接受另一項美國國家科學基金會的贊助，執行著一項名為「VERTIGO（VERtical Transport In the Global Ocean）」的計畫，帶領著來自七個國家，14 個研究單位，超過四十位生物學家、化學家、海洋物理學家及工程師們參與這項計畫。他們進行了一項海洋植物死亡沒入海中，或被動物吃掉並且轉換成糞便沈入海底深處的研究。
圖4. Ken Buesseler 教授
這些沈入海中的粒子通常被稱為「海洋之雪（marine snow）」，是許多深海生物的食物來源，這些生物包含細菌，它們會分解這些粒子。在整個程序中，碳被轉化成可溶的有機物質及無機的型態，在不斷的循環的過程中，同時在灰暗層中也被再利用，在這一層當中可以藉著某些途徑回到海洋表面並且再度被釋放回大氣當中。
這次研究的地點會選在夏威夷以及日本是因為這些地方的海洋長期都有被進行研究觀測，主要的執行者也是共同作者 David Karl（夏威夷大學，Hawaii University）及 Makio Honda（日本獨立行政法人．海洋研究開發機構，Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology）。生物學家 Deborah Steinberg（維吉尼亞海洋科學研究院，Virginia Institute of Marine Sciences）及 Mary silver（Santa Cruz 加州大學，California University） 則負責辨識浮游生物種類並去瞭解不同的食物來源對於海洋碳循環的關連。Thomas Trull（澳洲塔斯馬尼亞大學，Tasmania University）、Philip Boyd（紐西蘭奧塔哥大學，Otago University）及 Frank Dehairs（比利時布魯塞爾自由大學，Free University of Brussels）則主要研究南方大洋，並且在 VERTIGO 中，對於橫跨過南極洲的海洋碳循環提供重要的見解。David Siegel（Santa Barbara 加州大學）則協助追蹤海洋洋流以及粒子沈入的路徑。James Bishop（勞倫斯柏克萊國家實驗室生命科學部門及柏克萊加州大學，Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California, Berkeley）則由美國能源部獲得資金，負責建構自動光學沈積物捕捉器以便於每小時進行沈澱變化，同時能讓團隊在灰暗層中進行大量粒子樣品的定位及定量。
圖5. 全球浮游生物濃度分佈（深藍色表示低濃度）
「這個專門的研究團對組合無法由單一的實驗室或國家所構成」Buesseler 說到。「我們很幸運的能夠吸引到如此眾多的優秀人才，願意為了揭開碳循環在灰暗層中的秘密而聚集。」
對於海洋的表層雖然已經有很多的研究，但對於更下層些的碳循環研究卻付之闕如。而 VERTIGO 研究團隊所進行的許多研究，開啟了研究相當難研究的灰暗層之新視窗。他們成功地運用了各種工具及實驗裝置，克服了一個長久以來一直都存在的問題，那就是收集這些落入灰暗層中的「海洋之雪」。
圖6. NBST 收集「海洋之雪」的圖示-1
最主要的問題就是因為這些海洋之雪落下的速度實在是太慢了，一天大約只會落下數十到數百公尺左右，這聽起來好像很多，但別忘了，大海的洋流速度每天可是能前進數千公尺的呢。為了收集這些落下的顆粒，科學家們使用了圓錐體或管子，它們連接在浮標的下方或在海床上方漂浮。Buesseler 說：「那就像要在颶風中將雨量收集器擺好一般。」
圖7. NBST 收集「海洋之雪」的圖示-2
Buesseler 及 WHOI 工程師 Jim Valdes 開發了一套自然沉積物收集器（Neutrally Buoyant Sediment Traps，簡稱 NBST），這個裝置可以在灰暗層中藉由電腦程式控制著沈入的深度，並且可以在灰暗層中既不往下沈，也不往上升的在洋流中保持數天，藉以收集粒子，同時透過衛星定位的裝置回傳回它的所在位置以利回收作業的進行，通常每一天它們都會從原本放置浮標的位置飄移 10 至 20 哩遠。
圖8. Jim Valdes 工程師
圖9. Neutrally Buoyant Sediment Traps，簡稱 NBST
「這就像是在大海裡撈針一樣，因為它們這麼小，所以很難被發現，尤其在公海中，我們常常在大風大浪中工作。」Valdes 笑著說到。
他們在 2004 年所執行的第一項 VERTIGO 科學任務，Buesseler 及 Valdes 只能等待並祈禱他們的裝置能夠順利運轉。「七個 NBSTs 就在水中等著，而將所有七個裝置都收回來時，它們都載著滿滿的寶物－它們寫下了海洋科學的一頁歷史。」Buesseler 說到。
圖10. 放置與回收 NBST
圖11. NBST 實際下海的操作狀況
為什麼在西北太平洋深處有著較多的碳，可能有許多因素影響著。在那裡的水中含有相當充足的矽，這使得浮游生物容易製造出殼狀結構。由於這些浮游生物帶有矽，因此他們也變得較重，下沈速度也較快，是不是因為這樣所以細菌分解他們的速度就變慢了呢？還是因為北太平洋的水溫比較低，所以使其分解成為有機碳的速度被減緩了？不同族群的食物鏈對於有機物質的分解是否有不同的改變？或是對於製造海洋之雪也發生了影響呢？科學家們將繼續探索這些領域，並對海洋深處的碳繼續研究。
在六月，Buesseler 及他的研究團隊將前往百慕達，他們將針對季節轉變時，雨中的碳穿越灰暗層進行試驗。他們將在單一地點進行樣品的反覆研究，並使用名為「灰暗層發現者號（Twilight Zone Explorer）」的全新且改良過的 NBST 進行實驗。
「唯有持續不斷的觀察並使用新的技術才能讓我們保有對瞭解海洋中這一層世界的希望，因為這一層對於全世界碳循環來說是相當重要的一環，因為對於陽光能照射到的這一個表層來說，這可是大氣中二氧化碳得以初次進入海洋的重要一層。」Buesseler 說到。
Note: This story has been adapted from a news release issued by Woods Hole Oceanographic Institution.
原始報導：
ScienceDaily：Ocean's 'Twilight Zone' Plays Important Role In Climate Change
原始論文：
"Revisiting Carbon Flux Through the Ocean's Twilight Zone", Science 27 April 2007:
Vol. 316. no. 5824, pp. 567 - 570
論文摘要：http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/316/5824/567
相關連結：
1. 伍茲霍爾海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI）
2. VERTIGO - Ocean Particle Fluxes
3. VERTIGO - Neutrally Buoyant Sediment Traps a Success!
4. 自然生態學習網
5. What is the "Twilight Zone"?
6. Wiki 百科：Pelagic Zone