文摘
气温上升是覆盖北冰洋的冰层融化,让阳光转化为水域已经暗了数千年。冰雪覆盖以前贫瘠的地区被转化为生产力的海洋。在本文中,我们将解释如何使用计算机模型来预测这种转变将如何影响连接浮游生物的食物链,鱼和顶级捕食者,像鲸鱼和北极熊。饥饿的北极熊的形象已经成为气候变暖的影响的象征。融化的海冰预计将减少北极熊捕猎海豹的能力。然而,与此同时,熊的食物网靠变得更有效率,所以它并不完全清楚最终结果将是什么。计算机模型可以帮助我们理解这些系统和帮助我们做出决策的管理新北极资源可用。
介绍
两极是地球上最恶劣的环境。在冬天,太阳不会升起,气温非常寒冷,冰雪积累。在夏天,太阳永远照耀,它是温暖的,向两极的冰融化。然而,毫无疑问,冰的数量正在减少地球变暖。这是发生在陆地上和海上。在陆地上,冰川融化和南极等地撤退,格陵兰和阿拉斯加。在海上浮冰的面积,我们称之为海冰每年,越来越小(1)(图1)。
- 图1 -海冰范围的变化(白色区域)1979年和2018年之间在北极。
- 在左边,你可以看到冰区域4月时冷和冰是最大。在右边,你可以看到冰区域时9月温暖和冰是最低。每个地图都集中在北极;与北美土地所示黑色,在左下角,右上的俄罗斯,并在右下角的欧洲。红色圆圈显示巴伦支海,面积,最大的冰盖的变化(来源:https://www.ncdc.noaa.gov/snow-and-ice/extent/)。
饥饿的北极熊的国家地理视频的标题“这就是气候变化的样子”已经成为一个国际知名的象征在北极海冰的融化所造成的生态系统(2,3]。视频背后的故事是,北极熊取决于能够在寻找海豹吃冰。因为冰正在减少他们很难找到足够的食物。在本文中,我们解释了为什么这个故事可能是更复杂的比它首次出现,以及生态系统的计算机模型可以帮助我们理解这些复杂性。
食物链和生态系统
一个生态系统是一个社区的细菌、植物和动物占据相同的栖息地。一个生态系统中的所有生物who-eats-whom关系的网络互联。我们称之为一个食物网(图2)。哪里有阳光和足够的营养物质,植物生产生活过程中所需的材料光合作用。光合作用提供能量支持所有的动物在食物链的其余部分。
- 图2——who-eats-whom食物链在北极。
- 箭头连接各组猎物的捕食者集团(艺术品:道格拉斯·斯皮尔斯)。
在海里,大多数植物是微观和我们称之为浮游植物。浮游植物是被各种各样的小动物吃掉约一粒米的大小,称为浮游动物。浮游动物然后被较大的浮游动物,水母和plankton-eating鱼类,如毛鳞鱼。他们生产的浪费(称为碎屑)是由细菌分解,它落在了海底,它提供的食物(称为动物之处是生活在海底附近底栖生物)。Plankton-eating鱼类和底栖生物食肉鱼类的食物,如:鳕鱼,黑线鳕,海鸟和哺乳动物,如海豹和鲸鱼。在北极,所有这些动物都被顶级捕食者,如北极熊。人类也是食物链顶级捕食者,因为我们抓鱼和寻找海豹和鲸鱼。
地球变暖是如何影响北极食物网吗?
气候变暖对所有生物体有着直接的影响。新陈代谢对温度的依赖关系(4]。代谢包括允许有机体产生能量的过程,他们所吃的食物。所有生物的温度范围内新陈代谢可以让他们生活舒适。热带物种更宽容的寒冷条件比极地物种。这意味着,随着海洋变暖,我们预计物种在温暖的地区扩大分布,我们希望那些喜欢寒冷的水的物种向两极撤退。在过去的50年里,科学家们观察到一些浮游动物和鱼类向两极移动,随着海洋变暖(5]。
气候变暖的影响在北极的海冰也极其重要的食物网。海冰的存在强烈的太阳光量减少,进入海洋。海冰的面积萎缩(图1)意味着海洋的某些部分被暴露在夏日的阳光下数千年来首次。光使浮游植物生长和光合作用的地区以前是贫瘠的,北极的生产力增长。
浮游植物的增长可以被视为一个积极的改变,导致更多的海洋生物和浮游动物的食物,底栖生物,并最终鱼、鸟、海豹、鲸鱼,和北极熊(6]。然而,一些北极物种的进化取决于冰的存在。海冰提供了一种方法对海豹,海象从水里拉出来。他们需要休息,品种,和逃避其他海洋食肉动物,如虎鲸。其他哺乳动物,如北极熊依靠能力穿越冰冻的海洋寻找海豹。冰川融化使旅行更加困难因为薄冰不能支持熊的体重。另一方面,冰是鲸鱼物种的障碍,因为他们必须能够达到空气呼吸。总的来说,它并不完全清楚食肉动物的食物网将得益于海冰融化,这将受到伤害。
在北极预测会发生什么
我们用计算机模型来预测海冰变化的影响对食物网。为了使这些模型,我们首先写下关键过程和组件食物链的数学方程。这些包括喂养、代谢、光合作用和who-eats-whom。然后我们将方程转化为计算机代码。这给了我们一个虚拟的世界,我们可以开展实验模型的生态系统。实验是为了帮助我们理解生态系统在未来可能会改变。
我们建立了一个简单的模型的巴伦支海生态系统在挪威/俄罗斯北极地区(图1)。这个模型包含冰和温度条件下,数据和公式来表示我们对生态系统的了解的一些植物和动物。简化的主要是一些物种组合成团体分享类似的特征,如大小、结构,或者饮食。例如,我们所有的鸟类和哺乳动物合成为一个组,因为他们是温血动物,这意味着他们可以使用能源的食品保持温暖的体温独立于环境,与浮游生物和大多数鱼类。这种简化意味着,在我们的模型中,我们无法区分北极熊和鲸鱼,例如。虽然我们简化模型并不完美,它仍然繁殖的一般反应自然巴伦支海的生态系统。
方程模型中包括参数,确定结果。例如,在我们的模型中,这包括最大摄食率,或下沉的碎屑。选择的参数值是一个重要的步骤在构建模型。我们尝试选择值,使模型匹配尽可能从生态系统的实际数据。这确保了模型尽可能的真实。一旦建立模型,我们可以改变冰和温度条件,他们可能会在未来,并使用模型来预测在现实生活中会发生什么事。在图3之间的比较,我们将展示一个例子现在和未来模型的结果。现在的模型代表了巴伦支海,因为它是今天。未来模型冰,水温0.5°C一年到头都温暖。正如所料,光合作用是未来更高的模型。好处是海底的动物,食肉鱼类,bird-and-mammal组。浮游动物和plankton-eating鱼比现在更丰富。这是由于浮游植物碎屑,底栖生物和浮游动物的饲料,解决更快地海底当没有冰。因为我们不能区分不同的鸟类和哺乳动物捕食者在这个模型中,我们不能用它来表示哪些物种将或多或少在未来丰富。然而,该模型预测,bird-and-mammal集团作为一个整体将会与今天的饮食不同,更多的食肉鱼类喂养和减少对planktivorous鱼。
- 图3 -从一个计算机模型比较结果的质量生态系统的不同组件(平均超过一年),一个可能的未来,暖,无冰的巴伦支海,相对于目前的一天。
- 组件在括号中无机营养或死亡的材料。绿条右侧显示一个食物网组件的数量更大在未来模型比今天。相反,红条左边显示更少的质量在未来这些组件模型。
为什么这件事吗?
北极变暖的速度比其他的星球。每年平均气温在北极周围增加了2°C之间的1970年和2010年相比,0.6°C对地球作为一个整体(7]。夏季气温在加拿大北极现在比任何时候都在过去的44000年里8]。人类寿命期限内,北冰洋部分出现在数千年的海冰覆盖。
国家之间有一个竞赛要求在北极海底和资源出现的冰。新航线将成为船只可以旅行在欧洲,亚洲和北美洲。2017年11月30日,欧盟和九个主要渔业国家同意不发展渔业在北冰洋将至少持续到2033年。这应该允许科学家开发模型所需的时间以可持续的方式管理鱼类资源(9]。有很多研究完成之前,我们有一个全面了解气候变暖对北极的影响。
术语表
海冰:↑浮冰由冰冻的海面。
光合作用(foh-toh-sin-thi-sis):↑一个化学反应在植物和一些细菌。它使用能量从光将二氧化碳和水转化为有机物。
浮游植物(fie-toh-plangktuhn):↑微小的植物细胞,漂在水里。有许多种类的浮游植物。
浮游动物(zohuh-plangktuhn):↑针对一个巨大的各种各样的小动物,漂在水里。
碎屑(di-trie-tuhs):↑仍然是死亡的生物体或生物体产生的废物。
底栖生物(ben-thos):↑针对大量的动物生活在海底。
新陈代谢(muh-tab-uh-li-zuhm):↑结合化学反应所需的生活。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
引用
[1]↑Comiso, j . c . 2012。大十年北极多年冰覆盖的衰落。j .爬。25:1176 - 93。doi: 10.1175 / jcli - d - 11 - 00113.1
[2]↑Gibbens, s . 2017。痛彻心扉的视频显示饥饿的北极熊Iceless土地上。网上:https://www.nationalgeographic.com/news/2017/12/ polar-bear-starving-arctic-sea-ice-melt-climate-change-spd /
[3]↑Mittermeier, c . g . 2018。Starving-Polar-Bear摄影师回忆哪里出了问题。网上:www.nationalgeographic.com/magazine/2018/08/explore-through-the-lens-starving-polar-bear-photo /
[4]↑Gillooly, j·F。、棕色、j . H。西,g B。,Savage, V. M., and Charnov, E. L. 2001. Effects of size and temperature on metabolic rate.科学293:2248-51。doi: 10.1126 / science.1061967
[5]↑Kortsch, S。,Primicerio, R., Fossheim, M., Dolgov, A. V., and Aschan, M. 2015. Climate change alters the structure of arctic marine food webs due to poleward shifts of boreal generalists.Proc。r . Soc。B杂志。科学。282:20151546。doi: 10.1098 / rspb.2015.1546
[6]↑Darnis G。,Robert, D., Pomerleau, C., Link, H., Archambault, P., Nelson, R. J., et al. 2012. Current state and trends in Canadian Arctic marine ecosystems: II.异养食物链、pelagic-benthic耦合和生物多样性。爬。改变115:179 - 205。doi: 10.1007 / s10584 - 012 - 0483 - 8
[7]↑联合国政府间气候变化专门委员会。2013年。2013年气候变化:物理科学基础。工作组的贡献我的第五次评估报告政府间气候变化专门委员会。剑桥;纽约:剑桥大学出版社。
[8]↑米勒,g . H。,Lehman, J. J., Refsnider, K. A., Southon, J. R., and Zhong, Y. 2013. Unprecedented recent summer warmth in Arctic Canada.地球物理学。卷。40:5745-51。gl057188 doi: 10.1002/2013
[9]↑的Hoag, h . 2017。国家同意禁止在北冰洋捕鱼至少16年。科学。doi: 10.1126 / science.aar6437