北大西洋エアロゾルと海洋生態系に関する研究

出典: ^{[ 20 ]}

臨界深度仮説は、北大西洋における年間植物プランクトンブルームを資源に基づいて説明する理論である。これは春季ブルームの原因に関する伝統的な説明であり、50年以上にわたり海洋学の教科書において基礎概念として記載されてきた。この仮説は、高栄養塩濃度、浅い混合層、光量の増加、水温の上昇など、ブルーム発生に必要な環境条件に焦点を当てている。

臨界深度仮説の中心的な論拠は、混合層が臨界深度より浅くなることによって植物プランクトンの成長速度が増加し、その結果としてブルームが発生するというものである。臨界深度とは、植物プランクトンのバイオマス増加量と減少量が等しくなる表層混合深度のことである。この仮説では、減少量は一定であり、成長量とは無関係である。バイオマスの減少は、摂食、沈降、希釈、鉛直混合、感染、寄生などが原因で起こりうる。表層混合層が臨界深度より浅くなると、植物プランクトンの成長量が減少量を上回るため、季節的なブルームが発生する。植物プランクトンの成長は、春季の光量、水温の上昇、成層深度の浅化と相関関係にある。

気候温暖化は冬季に成層化を強めたり混合層の深さを浅くしたりする可能性があり、この仮説が春季の植物プランクトンブルームの動態を支配するならば、春季ブルームが促進されたり、植物プランクトンのバイオマスが増加したりするだろう。この資源ベースの見解に対する主な批判は、春季ブルームは成層化や混合層の浅瀬化がない状態で発生するという点である。^{[ 20 ]}

出典: ^{[ 21 ]}

希釈再結合仮説は、北大西洋における年間植物プランクトンブルームを生態系に基づいて捉えた見解である。この仮説は、成長と摂食のバランスを変化させる物理的プロセスに焦点を当てている。春のブルームは年間サイクルの一要素とみなされ、サイクル中の他の要素がこのブルーム発生の「舞台を整える」と考えられている。

この生態系に基づく見解は、海水を加えると捕食者は希釈されるが植物プランクトンの成長は変化しない希釈実験に基づいている。したがって、成長速度は希釈とともに増加する。^{[ 21 ]} 希釈効果は一時的であるが、水の追加速度が成長速度と等しい場合、捕食者と被食者の相互作用は維持される。表層混合層が深くなると、捕食者と被食者の相互作用が希釈され、成長と摂食が分離される。混合層が深くなるのを止めると、成長速度の増加が明らかになるが、今度は成長と摂食が再び連動する。混合層が浅くなると捕食者が集中し、摂食圧が増加する。しかし、光の利用可能性の増加が摂食圧に対抗し、成長速度を高く維持することができる。晩春、混合層がさらに浅くなると、栄養塩の枯渇または過摂食によってブルームが終了し、このサイクルのこの時点で損失が成長を上回る。

気候温暖化は成層化を強め、混合層の深化に伴って起こる冬季混合を抑制するだろう。この仮説によれば、冬季混合の抑制は植物プランクトンのバイオマスを減少させるだろう。^{[ 21 ]}

中規模渦

中規模渦は混合層深度（MLD）の調節に重要な役割を果たします。中規模渦によって生じる変動は、混合層の底にある栄養塩を調節します。^{[ 22 ]}これらの調節は、光の利用可能性とともに、その地域の植物プランクトンの量を決定します。植物プランクトンの利用可能性は、海洋食物網と海洋の健全性に大きな影響を与えます。

メキシコ湾流の高速な海流は蛇行し、切り離されて渦を形成します。これらの渦は分離する際に、親水塊の物理的特性 （温度、密度、塩分、その他の海洋力学的特性など）を保持します。渦が移動するにつれて、周囲の水と混ざり合うことで物理的特性が変化します。メキシコ湾流では、移動する渦は回転方向（時計回りか反時計回りか）に基づいて、反時計回り渦または高気圧渦として知られています。^{[ 22 ]} 2 つの渦は、動き、物理的特性、そして結果として海洋の生物と化学への影響が異なります。

コリオリ力と高速の流れが組み合わさって渦運動を引き起こします。この運動により、反時計回り渦の中心に「膨らみ」、すなわち高い海面高度（SSH）が形成されます。対照的に、時計回り渦の中心ではSSHが低くなります。反時計回り渦と時計回り渦の両方において、SSHは中心からの距離が増加するにつれてそれぞれ減少し、増加します。^{[ 23 ]} 渦内の湧昇と沈降のプロセスにより、冷たいコアと暖かいコアが形成されます。 ^{[ 24 ]}反時計回り渦では沈降により冷たい水が表面に流入するのを防ぎ、中心に暖かいコアが形成されます。一方、時計回り渦では湧昇により深い冷たい水が巻き込まれ、冷たいコアが形成されます。^{[ 25 ]}

これまでの研究では、高気圧性渦の下では混合層深度が深くなり、低気圧性渦では混合層深度が浅くなることが示されている。^{[ 26 ] [ 27 ]}これらの現象は、高気圧性渦で大気への熱損失が増加することに起因する可能性がある。この熱損失により、対流混合と呼ばれる密度の高い水が沈み込み^{[ 28 ]}、混合層深度が深くなる。対照的に、低気圧性渦では、中心部の水温は高気圧性渦よりも低い。そのため、混合層深度は深くならない。アルゴフロートのネットワークと衛星データから作成されたモデルシミュレーションによってこの地域で実施された研究では、逆の現象の事例が示されている。渦による混合層深度と浅くなる現象は普遍的であり、季節によって変化する。^{[ 22 ]}このような異常は冬に最も顕著である。したがって、混合層深度における中規模渦の役割は複雑であり、風速シアの増大によって誘発される流れが反時計回り渦の混合層深度を浅くする同時進行のプロセスによって決まる。^{[ 23 ]}

海洋境界層 (MBL) は、大気のうち海洋表面と直接接触している部分です。MBL は、主に乱流を介して熱、水分、ガス、粒子、運動量の交換によって影響を受けます。^{[ 29 ]} MBL は、海洋表面上空に対流セル (または空気の垂直流) が形成されることで特徴付けられ、これにより平均表面風の方向が乱され、海面にテクスチャ、粗さ、波が発生します。境界層には 2 種類あります。1 つは、大気の下 100m から高さ約 3km まで広がる安定した対流層で、対流境界層 (CBL) と呼ばれます。もう 1 つの境界層は、地表大気逆転 の結果として形成されます。これは一般的に乱流や垂直混合がない地表付近で発生し、垂直湿度および温度プロファイルの解釈によって決定されます。^{[ 30 ]} MBLはしばしば局所的で時間的に動的な現象であるため、その高度は地域によって、あるいは数日の間に大きく変化する可能性があります。北大西洋は、多様でよく発達したMBL雲が一般的に形成される地域であり、^{[ 31 ]} MBL層の高さは2.0～0.1 kmになることがあります^{[ 30 ]} 

偏西風は中緯度（緯度35度から65度の間）の卓越風であり、世界の高気圧亜熱帯地域の北または南の地域で吹いています。したがって、北大西洋で採取されたエアロゾルは、北アメリカを起源とする気団の影響を受け、自然の陸地由来と人為的由来の両方の影響を受けます。NAAMESに関連するのは、北アメリカ東部の産業および都市環境からの排出物であり、これらは硫酸塩、黒色炭素、芳香族化合物を大量に排出します。このような物質は、海上を数百キロメートル輸送される可能性があります。大陸の影響によるこの寄与は、測定される生物学的蛍光信号に偽陽性信号を生成する可能性があり^{[ 32 ]}、北大西洋の開水域における雲の微物理的特性に影響を与える可能性があります。さらに、黒色炭素などのエアロゾルは、二酸化炭素やその他の温室効果ガスと混合され、船舶エンジンの化石燃料の不完全燃焼によって排出されます。これらの未燃焼炭化水素は、北大西洋の海洋境界層および他のほとんどの遠隔海洋地域に存在します。^{[ 33 ]}これらの粒子は、空気中で時間の経過とともに老化したり化学的に変化したりすると、他の浮遊粒子と反応して微物理的および化学的特性が変化する可能性があります。

エアロゾルは、大気中または他のガス中に浮遊する非常に小さな固体粒子または液体滴であり、自然プロセスまたは人間の活動によって形成されます。^{[ 36 ] [ 37 ]} 自然エアロゾルには、火山灰、生物粒子、鉱物ダスト、および山火事などのバイオマスの自然燃焼による黒色炭素が含まれます。人為的エアロゾルは、化石燃料の燃焼や産業排出物など、人間の活動によって排出されたものです。エアロゾルは、大気中に直接排出されたか（一次）、または発生源から排出された後に反応して組成が変化したか（二次）に応じて、一次または二次に分類されます。海洋環境から排出されるエアロゾルは、一次自然エアロゾルの最大の成分の1つです。海洋一次エアロゾルは人為的汚染と相互作用し、これらの反応を通じて他の二次エアロゾルを生成します。^{[ 38 ]}

予測的な気候変動モデルにおいて最も重要でありながら不確実な要素の 1 つは、エアロゾルが気候システムに与える影響です。^{[ 40 ]}エアロゾルは、地球の放射収支に直接的および間接的に影響を与えます。直接的な影響は、エアロゾル粒子が大気中で入射する太陽放射および赤外線放射と相互作用する際に、散乱、吸収、またはこれら 2 つの光学特性の組み合わせを示す場合に発生します。^{[ 41 ]}一般的に光を散乱するエアロゾルには、硫酸塩、硝酸塩、および一部の有機粒子が含まれますが、正味の吸収を示す傾向のあるエアロゾルには、鉱物ダストおよび黒色炭素(またはすす) が含まれます。エアロゾルが地球の温度を変化させる 2 番目のメカニズムは間接的影響と呼ばれ、雲の微物理的特性が変化し、入射する太陽放射の反射が増加するか、雲が降水を発生させる能力が阻害される場合に発生します。^{[ 42 ]}最初の間接的影響は、水滴の量の増加であり、これにより、より多くの太陽放射を反射する雲が増加し、その結果、地球の表面が冷却されます。 2 つ目の間接効果 (雲の寿命効果とも呼ばれる) は、液滴数の増加であり、これは同時に液滴サイズの増加を引き起こし、したがって降水の可能性を低下させます。つまり、液滴が小さいほど雲の寿命が長くなり、液体の水含有量が高くなるため、降水率が低下し、雲のアルベドが高くなります。^{[ 43 ]}これは、大気中のエアロゾル量の主要な決定要因の 1 つとしてエアロゾルサイズが重要であること、大気からエアロゾルがどのように除去されるか、そしてこれらのプロセスが気候に及ぼす影響を強調しています。^{[ 34 ] [ 35 ] [ 41 ]}微粒子は一般的に直径 2 マイクロメートル (μm) 未満のものです。このカテゴリー内では、大気中に蓄積する粒子 (低揮発性または核の凝縮成長による) の範囲は 0.1～1 μm であり、通常は湿性沈着によって空気から除去されます。湿性沈着は、降水、雪、または雹です。一方、古い海塩や植物由来の粒子などの粗大粒子は、乾性沈着によって大気から除去されます。このプロセスは沈降とも呼ばれます。しかし、異なる種類の生物起源有機エアロゾルは異なる微物理的特性を示すため、空気からの除去メカニズムは湿度に依存します。^{[ 44 ]}北大西洋におけるエアロゾルのサイズと組成をよりよく理解しなければ、気候モデルは地球規模の気候におけるエアロゾルの冷却効果の大きさを予測する能力が限られる。^{[ 1 ]}

海洋大気中のエアロゾル粒子の量と組成は、大陸と海洋の両方の発生源に由来し、長距離輸送される可能性があるが、新たに放出された海塩エアロゾル（SSA）は、特に中程度から強い風の場合、一次エアロゾルの主要な発生源の 1 つを構成している。^{[ 46 ]} 純粋な海塩エアロゾルの世界的排出量は、年間 2,000 ～ 10,000 Tg のオーダーと推定されている。^{[ 38 ]}この現象が発生するメカニズムは、砕波で気泡が発生することから始まり、気泡が大気中に上昇して、直径 0.1 ～ 1.0 μm の数百個の超微細液滴に破裂する。^{[ 38 ]}海塩エアロゾルは、主にナトリウムや塩化物などの無機塩で構成されている。しかし、これらの気泡は、海水中に存在する有機物を運ぶことがあり、^{[ 46 ]}ジメチルスルフィド（DMS）などの二次有機化合物（SOA）を形成する。^{[ 38 ]} この化合物はNAAMESプロジェクトにおいて重要な役割を果たしている。

SSAの重要な生物地球化学的結果の一つは、雲凝結核としての役割である。これらは、過飽和条件以下で水蒸気が凝結するために必要な表面を提供する粒子である。これらのエアロゾル中の有機物の凍結は、通常雲が形成される場所よりも温暖で乾燥した環境で雲の形成を促進する^{[ 47 ]}。特に北大西洋のような高緯度地域では顕著である。これらのエアロゾル中の有機物は、これらの地域での水滴の核形成を助けるが、氷を凍結させる有機物を含む割合や、それがどのような生物学的起源によるものかなど、多くの不明点が残っている^{[ 47 ]} 。それにもかかわらず、植物プランクトンのブルームが強化された氷核形成粒子の供給源としての役割は、実験室実験で確認されており、これらのエアロゾルが雲の放射強制力において重要な役割を果たしていることを示唆している。^{[ 48 ]}気泡破裂放出によって生成された一次海洋エアロゾルは、2008 年春に北大西洋で国際北極下部対流圏化学実験 (ICEALOT) によって測定されました。この調査航海では、清浄な、またはバックグラウンド領域を測定し、それらが主にヒドロキシル基 (58% ±13) とアルケン基 (21% ±9) を含む一次海洋エアロゾルで構成されていることがわかりました。^{[ 49 ]}これは、生物起源の空気中の化学化合物の重要性を示しています。しかしながら、これらの測定の時間スケールが小さいこと、およびこれらの粒子の正確な発生源を特定できないことから、この地域のエアロゾルをよりよく理解するための科学的必要性が正当化されます。^{[ 46 ]}

バイオエアロゾルは、陸上および海洋生態系から大気中に放出される生物および非生物成分で構成される粒子です。これらは、森林、草原、農作物、さらには植物プランクトンなどの海洋一次生産者です。一次生物エアロゾル粒子（PBAP）には、細菌、古細菌、藻類、真菌など、さまざまな生物学的物質が含まれており、世界の総エアロゾル質量の最大25%を占めると推定されています。^{[ 38 ]}これらのPBAPの拡散は、真菌胞子、花粉、ウイルス、および生物学的断片を介して大気中に直接放出されることによって起こります。これらの粒子の環境濃度とサイズは場所と季節によって異なりますが、NAAMESに関連するのは、真菌胞子の一時的なサイズ（直径0.05～0.15μm）と細菌のより大きなサイズ（0.1～4μm）です。^{[ 38 ]}海洋有機エアロゾル (OA) は、クロロフィル色素との相関関係から、年間 2 ～ 100 Tg の範囲で変動すると推定されている。^{[ 50 ]} しかし、最近の OA の研究では、DMS生成と相関があり、程度は低いもののクロロフィルとも相関があることから、海塩エアロゾル中の有機物は、海の表面での生物活動と関連していることが示唆されている。^{[ 38 ] [ 51 ]} したがって、海洋有機エアロゾルに寄与するメカニズムは依然として不明であり、NAAMES の主な焦点であった。

シアノバクテリアや微細藻類を含む海洋バイオエアロゾルが人間の健康に有害である可能性があるという証拠がいくつかあります。植物プランクトンは、メチル水銀[52][53]、ポリ塩化ビフェニル（PCB）[54]、多環芳香族炭化水素[55][56]など、さまざまな有毒物質を吸収して蓄積する^{ことができます。シアノ}バクテリア^{は、エアロゾル}化できる^{毒素を生成することが}知られ ており、これを人間が吸入すると、神経系や肝臓系に影響を与える可能性があります^{[ 57 ]} 。  たとえば、Callerら（2009）^{[ 58 ]}は、シアノバクテリアのブルームからのバイオエアロゾルが筋萎縮性側索硬化症（ALS）の高い発生率に関与している可能性があると示唆しました。さらに、ミクロシスチンと呼ばれる毒性化合物群は、Microcystis、Synechococcus、Anabaena属のシアノバクテリアによって産生されます。これらのミクロシスチンは、多くの研究者によってエアロゾル中に発見されており、^{[ 59 ] [ 60 ]}このようなエアロゾルは、肺炎、胃腸炎、非アルコール性脂肪性肝疾患の症例を引き起こす原因として指摘されています。^{[ 61 ] [ 57 ]}渦鞭毛藻類もバイオエアロゾルの毒性に関与していると考えられており、^{[ 62 ]} Ostreopsis属は呼吸困難、発熱、鼻漏、咳などの症状を引き起こします。^{[ 63 ]} 重要なことに、海洋由来の有毒エアロゾルは内陸 4kmまで発見されているが、 ^{[ 64 ]}研究者らはバイオエアロゾルの運命をさらに内陸部まで追跡する追加研究を推奨している。^{[ 57 ]}

子嚢菌門は、少なくとも南極海では、海洋バイオエアロゾルの主要な寄与者（他の門に対する相対的な割合で72%）であると理解されている。^{[ 65 ]}これらのうち、ハラタケ綱は、この門内の菌類のクラスの大部分（95%）を占めている。このグループの中で、ペニシリウム属は海洋菌類エアロゾルで最も頻繁に検出される。菌類バイオエアロゾルは氷核としても機能し、北大西洋などの遠隔海洋域の放射収支にも影響を与える可能性がある。^{[ 65 ]}

海塩エアロゾル（上記参照）に加えて、植物プランクトンによって生成される生物起源エアロゾルも、大気中に浮遊する小さな（通常0.2μm）雲凝結核（CCN）粒子の重要な供給源です。気候変動に関する政府間パネル（IPCC）は、今後100年間で世界の海面水温が+1.3～+2.8℃上昇すると予測しており、これにより北大西洋の植物プランクトンのブルームに空間的および季節的な変化が生じるでしょう。群集動態の変化は、雲凝結核に利用可能なバイオエアロゾルに大きな影響を与えます。したがって、北大西洋の雲の形成は、バイオエアロゾルの利用可能性、粒子サイズ、および化学組成に敏感です。^{[ 1 ]}

海洋植物プランクトンが、1980年代後半に最初に提唱された硫黄の生物地球化学的サイクルを通じて雲のアルベドと気候にどのように影響するかを説明する証拠が増えています。 ^{[ 66 ] [ 67 ]} CLAW仮説は、植物プランクトンが地球規模の雲量を変化させ、惑星規模の放射バランスまたは恒常性調節を提供するメカニズムを概念化し、定量化しようとしています。太陽放射が海洋の上層で一次生産を促進すると、エアロゾルが惑星境界層に放出されます。これらのエアロゾルの一部は雲に同化され、その後、太陽放射を反射することによって負のフィードバックループを生成する可能性があります。植物プランクトンのブルームサイクルの生態系ベースの仮説（NAAMESによって調査）は、海洋の温暖化が植物プランクトンの生産性の低下につながることを示唆しています。植物プランクトンの減少はエアロゾルの利用可能性の低下を引き起こし、雲の減少につながる可能性があります。これは正のフィードバックループを生み出し、海洋温暖化は雲の減少につながり、それがさらなる温暖化を促進することになる。

CLAW仮説の重要な構成要素の1つは、植物プランクトンによるジメチルスルホニオプロピオネート（DMSP）の放出です。 ^{[ 68 ]}もう一つの化学物質であるジメチルスルフィド（DMS）は、ほとんどの海洋で主要な揮発性硫黄化合物として特定されています。世界の海水中のDMS濃度は、平均して1リットルあたり102.4ナノグラム（ng/L）程度と推定されています。北大西洋の地域値は約66.8  ng/Lです。これらの地域値は季節によって変動し、大陸エアロゾルの影響を受けます。^{[ 69 ]}それにもかかわらず、DMSは海洋大気中の生物起源揮発性硫黄化合物の主要な発生源の1つです。^{[ 69 ]}その概念化以来、いくつかの研究で、大西洋の中緯度でCLAW仮説を支持する経験的および状況証拠が見つかっています。^{[ 68 ]} NAAMESキャンペーンは、CLAW仮説の根底にあるメカニズムを定量化することにより、海洋バイオエアロゾルが雲の形成と地球規模の放射収支に及ぼす影響についての経験的な理解を提供することを目指した。

多糖類、タンパク質、脂質、その他の生物学的成分の残骸を含む溶解有機化合物は、植物プランクトンや細菌によって放出されます。これらは海洋表面でナノサイズのゲルに濃縮されます。具体的には、このような化合物は海洋の最上層の水膜である海面マイクロレイヤー（SML）に濃縮されます。^{[ 70 ]} SMLは、海と大気の間で物質とエネルギーの交換が行われる、水面から1ミリメートル以内の「皮膚」と考えられています。ここで起こる生物学的、化学的、物理的プロセスは、地球上のどこでも最も重要なもののいくつかである可能性があり、この薄い層は、熱、微量ガス、風、降水などの気候変動や、ナノ材料やプラスチックなどの廃棄物に最初にさらされます。SMLはまた、大気と海洋のガス交換や一次有機エアロゾルの生成において重要な役割を果たしています。^{[ 71 ]}

北大西洋の水サンプルと環境条件を用いた研究では、多糖類を含む外ポリマーとタンパク質が表層海水中で容易にエアロゾル化され、科学者たちは生物起源物質の海から大気への一次輸送の量とサイズ分解能を定量化できたことがわかった。^{[ 70 ]}これらの物質は十分に小さい（0.2μm）ため、主に植物プランクトンや他の微生物から放出される。^{[ 70 ]}しかし、水サンプルを通してエアロゾルの量、サイズ分布、組成を予測することは、現状では問題が多い。研究者たちは、将来の測定ではエアロゾル中のタンパク質を検出できる蛍光検出技術を比較することに焦点を当てるべきだと示唆している。^{[ 70 ]} NAAMESは、大気柱と海面付近の両方で蛍光ベースの機器を提供することで、この研究ギャップを埋めた（下記の大気機器のセクションを参照）。

船舶に搭載された観測機器は、海面上のガス、粒子、揮発性有機化合物を測定した。また、プランクトン群集の構成、生産性、呼吸速度、生理的ストレスを明らかにするために、水サンプルも採取した。

4つのキャンペーンはすべて同様の船と飛行計画に従った。調査船アトランティス号はマサチューセッツ州ウッズホールを出港し、4700海里を航行する26日間のクルーズに出発した。船は最初に40^{${\displaystyle \circ }$}W. その後、40から真北に移動しました。^{${\displaystyle \circ }$}Nから55^{${\displaystyle \circ }$}北緯40度線に沿った^{${\displaystyle \circ }$}西経に平行なこの集中的な南北横断測線では、複数の定点測定が行われた。その後、船はウッズホール港に戻った。^{[ 1 ]}

航行中のサンプリング（つまり、船が移動している間）は、船のフロー式海水分析システムを使用して、クルーズ全体にわたって実施されました。その後、船が三角形の横断エリアの開始地点に到達すると、船は1日に2回、夜明けと正午に停止し、定点測定を行い、培養用の水サンプル（呼吸など）を採取し、水柱サンプリングと光学測定を実施しました。^{[ 1 ]}

科学者たちは、各航海中に3か所で自律型浮体観測装置ARGOも使用した。これらの自律型浮体観測装置は、クロロフィル（植物プランクトンの量の指標）、光強度、水温、水密度、懸濁粒子などのパラメータを測定した。4回の航海で合計12台の自律型観測装置が展開された。

航空機による観測は、調査船の航海と全く同じタイミングで実施されるように設計されており、科学者たちは海洋レベルのプロセスと下層大気のプロセスを関連付けることができた。また、衛星データも統合され、プランクトンとエアロゾルの動態、そしてそれらが気候や生態系に及ぼす潜在的な影響について、より包括的な理解が得られた。

空中サンプリングには、高感度科学機器を搭載したC-130が使用されました。カナダのセントジョンズを拠点とする飛行クルーは、調査エリア上空で「Zパターン」で10時間の飛行を実施しました。^{[ 1 ]}エアロゾルの高さとエアロゾル/生態系の空間的特徴を測定するために、高高度と低高度の両方で飛行が行われました。高高度飛行では、雲上のエアロゾルと対流圏の背景エアロゾルの大気測定値に関するデータが収集されました。船の上空に達すると、飛行機はエアロゾルの垂直構造に関するデータを取得するために低高度まで螺旋状に降下しました。これらの低高度飛行では、海洋境界層内のエアロゾルがサンプリングされました。雲サンプリングでは、雲内の液滴数、密度、およびサイズが測定されました。^{[ 1 ]}

衛星による測定は、船舶の動きや飛行計画の指針としてほぼリアルタイムで使用されました。測定には、海面高度、海面温度、海洋の色、風、雲などが含まれます。^{[ 1 ]}また、衛星データは、 NASAのMODIS（中分解能撮像分光放射計）を介して、一次生産性の指標として平均表面クロロフィル濃度 も提供しました。

アルゴフロートと呼ばれる自律型現場観測機器が、海洋の物理的特性と生物光学的測定値を収集するために展開されました。アルゴフロートはバッテリー駆動の機器で、油圧を利用して浮力を制御し、水中を上下します。アルゴフロートは、海洋の生物学的特性と物理的特性の両方を収集します。フロートから収集されたデータは、ARGOS衛星を介して遠隔送信されます。

大気中のプロセスを特徴づけるために使用される機器は、ガスの組成を測定するものと、光学特性の組成を測定するものに分類できます。一般的に、エアロゾルサンプリング機器は、光学特性、物理特性、または化学特性を測定できる能力によって分類されます。物理特性には、粒子の直径や形状などのパラメータが含まれます。

一般的に測定される2つの光学パラメータは、エアロゾル粒子による光の吸収と散乱である。吸収係数と散乱係数はエアロゾルの量に依存する。^{[ 72 ]}

エアロゾル粒子による全光散乱は、ネフェロメーターで測定できます。一方、エアロゾルの光吸収は、粒子煤/吸収光度計（PSAP）や連続光吸収光度計（CLAP）など、いくつかの種類の機器を使用して測定できます。これらの機器では、粒子はフィルター上に収集され、フィルターを通過する光透過が連続的に監視されます。この方法は、積分板技術に基づいており、粒子の堆積によって引き起こされるフィルターの光透過の変化は、Beer-Lambertの法則を使用して、堆積した粒子の光吸収係数に関連付けられます。^{[ 73 ]}

バイオエアロゾルの量と組成を特徴付けるために使用された機器の1つは、広帯域統合バイオエアロゾルセンサー（WIBS）です。この機器は、紫外線誘起蛍光（UV-LIF）を使用して、トリプトファンやニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）などの一般的なアミノ酸からの蛍光信号を検出します。キセノンガスを点滅させるランプは、高精度の紫外線波長帯（280  nmと370  nm）を使用して粒子のサイズと形状を検出できます。^{[ 32 ]}

植物プランクトンのバイオマスの季節的な変化は、捕食者と被食者の相互作用や、温度、光、栄養塩などの混合層の状態の変化によって制御されます。季節サイクルのさまざまな段階におけるこれらのさまざまな要因の相対的な重要性を理解することで、将来の海洋の変化をより正確に予測できます。^{[ 7 ]} NAAMES のある出版物では、冬の混合層の深さがラブラドール海の春のクロロフィル濃度と正の相関関係にあることがわかりました。冬の間の沈降による損失は植物プランクトンの純増によって補償され、この冬の純増は希釈による摂食の減少によるものである可能性が最も高いです。^{[ 6 ]}

光順化における分類学的差異と一般的な植物プランクトン群集の光順化戦略を理解することは、ブルームの動態を制御する主要因として光に依存するモデルを構築する上で重要である。さらに、植物プランクトンの光駆動生理学をよりよく理解することで、クロロフィル濃度と海面水温に関する衛星データのより正確な読み取りに役立つ可能性がある。^{[ 5 ]} NAAMESの研究では、亜寒帯大西洋 で深層混合と再成層を引き起こした4日間の嵐イベント中に、複数の分類群の光順化応答が決定された。嵐イベント中のさまざまな深度の光強度で、光順化とバイオマス蓄積に有意な差が見られた。^{[ 8 ]}

NAAMESキャンペーンの最新の成果の1つは、生物が大気中の二酸化炭素を水柱に引き込む仕組みについての理解が深まったことです。具体的には、動物プランクトンの垂直移動が生物ポンプを介して深海への炭素輸送に与える影響が初めてパラメータ化され、モデル化されました。^{[ 74 ]}

NAAMESキャンペーンの結果、北大西洋では生物起源硫酸塩エアロゾルの量に明確な季節差が発見された。^{[ 75 ]}これらのエアロゾルは、研究期間中に大陸気団の影響がなかったため、2つの異なる生物起源に由来し、どちらも海洋起源であった。生物起源は、植物プランクトンによるジメチルスルフィド（DMS）の生成であり、これが雲凝結核（CCN）として働き、雲の形成に影響を与える。この研究では、硫酸塩を大気中で核形成によって形成された「新規硫酸塩」と、硫酸塩が取り込まれた大気中の既存のエアロゾルである「付加硫酸塩」に分類した。2015年11月の航海（キャンペーン1）では、一次海塩がCCN収支の主なメカニズム（55%）であった。しかし、2016年5月～6月の春の開花期（キャンペーン2）には、添加された硫酸塩がCCNの32％を占め、海塩は4％を占めた。^{[ 75 ]}季節ごとのこれらの経験的測定は、海洋バイオエアロゾルの温暖化または冷却効果をシミュレートする気候モデルの精度を向上させるのに役立つだろう。

NAAMES の科学者たちは、プロジェクト中にいくつかの新しい測定技術を開発しました。たとえば、ATPとNADHの生物発光検出と組み合わせたソーティング フロー サイトメトリーにより、植物プランクトンの純一次生産量、成長速度、およびバイオマスを比較的正確に決定できます。このアプローチは、従来の炭素 14 同位体インキュベーション技術を必要としないため、実験室とフィールドの両方のテストで検証されました。^{[ 11 ]}他の NAAMES の研究者たちは、生物地球化学と生態系ダイナミクスの重要な指標である粒子サイズ分布を 測定するために新しい技術を採用しました。潜水型レーザー回折粒子サイズ測定器を連続的に流れる海水システムと組み合わせることで、科学者たちは、コールター カウンターやフロー サイトボットなどのより確立された (ただし、時間と労力がかかる) 方法と同等に粒子サイズ分布を正確に測定することができました。^{[ 12 ]} 新しい海洋学技術に加えて、NAAMES チームは雲水を収集する新しい方法も開発しました。航空機搭載プローブは慣性分離を使用して大気から雲粒を収集します。彼らの軸流サイクロン技術は、毎分 4.5 ml の速度で雲水を収集し、それを保存して後で実験室で分析したと報告されている。^{[ 13 ]}

NAAMES探査では、リモートセンシングアルゴリズムの進歩も実現した。Zhangらは、間接的アプローチ^{[ 14 ]}と雲影アプローチ^{[ 76 ]}の両方を用いて、ハイパースペクトル静止沿岸大気汚染イベント航空機シミュレーター（GCAS）機器の大気補正を行った。 他の科学者たちは、雲粒サイズを測定する新しいアプローチをテストし、研究用走査偏光計の使用が、雲粒プローブによる直接測定と高スペクトル分解能LIDARとよく相関することを発見した。彼らの発見は、偏光による雲粒サイズ推定が、地球規模の雲粒サイズを測定するための正確で有用なツールとなる可能性を示唆している^{[ 16 ] 。}

NAAMESチームは海洋学におけるLIDARの利用において進歩を遂げた。例えば、Behrenfeldら（2017）は、宇宙ベースのLIDARが北緯45度以北の海域における植物プランクトンの年間変動を捉えることができることを示した。^{${\displaystyle \circ }$}緯度。これらの新しい技術を使用して、南極の植物プランクトンのバイオマスは主に氷の被覆によって変化するのに対し、北極では植物プランクトンの変化は主に生態学的プロセスによって引き起こされることを発見しました。^{[ 17 ]} 別の論文では、チームは衛星LIDAR技術の新たな進歩について説明し、宇宙ベースのLIDARの新時代は海洋リモートセンシングに革命を起こす可能性があると主張しました。^{[ 18 ]}

NAAMESは、エアロゾルと多数の生態系および海洋パラメータとの関係に関する画期的なデータを提供しました。彼らの発見と方法論の革新は、モデル作成者が将来の海洋生態系の変化が気候にどのように影響するかを判断するために利用できます。^{[ 1 ]}