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普林斯顿大学新闻

Science at sea: Bess Ward teaches and researches from the Pacific Ocean

当海洋学家贝丝·沃德(Bess Ward)在春季学期中期被授予在“莎莉之旅”(Sally Ride)上进行研究的时间时,她必须想出如何教授来自太平洋的GEO 428,即“生物海洋学”(Biological Oceanography)。

Bess Ward analyzing data on ship

海洋学家贝丝·沃德(Bess Ward)从墨西哥海岸外的东热带北太平洋采集样本,实时分析数据。

她制定了一份教学计划,包括学生演示文稿、一系列客座讲师和她在这门课上的第一位助教,后者向学生们展示了沃德在这艘船在墨西哥海岸附近海域取样时制作并上传的视频。太平洋研究的目标是发现和分析在气候变化和臭氧损耗中起关键作用的微生物。

“我讨厌我不得不离开课堂五周,但实际上我们没有其他时间来进行这次巡航,”沃德说,他是普林斯顿大学的威廉j辛克莱(William J. Sinclair)地球科学和普林斯顿环境研究所(Princeton Environmental Institute)教授。“我告诉我的学生,‘如果我想成为一名生物海洋学家,我就必须出海。你正在亲眼目睹一位海洋学家在做你正在学习的事情。’”

班上的13名学生之一约翰·特蕾西(John Tracey)和她一起乘船游览。研究生特蕾西(Tracey)说:“我们在船上的时候,我为班级阅读了报纸。”“与此同时,我也在为我的普通考试做准备。我认为,阅读报纸、为将军们学习、与船上的每个人交谈,以及在我们吃中饭和晚饭时有机会问很多问题,这些结合起来,真的帮助我从这门课中学到了更多。”

沃德、特蕾西和沃德实验室的其他三名研究人员一起收集并分析了6000多个海水样本,以及生活在其中的产生一氧化二氮的微生物。通过分析不同深度的氮和氧的含量,研究人员试图准确地确定海洋微生物产生和消耗一氧化二氮的位置和数量。

绘制出这种强大的温室气体的起源和汇点,对于模拟全球变暖具有重要意义。地球科学系主任沃德说,微生物产生了地球上超过一半的一氧化二氮,这不仅导致气候变化,而且消耗臭氧层。

她说:“一氧化二氮将很快成为最重要的臭氧消耗剂,因为我们已经成功地控制了氟利昂制冷剂。”“CFCs在下降,一氧化二氮在上升,所以了解一氧化二氮很重要。而产生它的,除了内燃机,是微生物。它们都是在制造和消耗氧气的环境中产生和消耗氧气的。”

Mahi-mahi swimming in ocean

Play video:

Play Video: Mahi-mahi swim near the R/V Sally Ride

当R/V Sally Ride在温暖的太平洋海域巡航时,研究人员经常被海豚、鲨鱼和其他大大小小的海洋生物包围。沃德说,这些动物不仅美丽,而且是该地区复杂水化学的线索。

在他们取样的区域,海洋和大气的全球循环将富含营养的深水带到了地表,这一过程被称为上涌。当上涌发生在通风受限的地区时,氧气无法像被腐烂的微生物排出那样迅速地供应到水中,从而形成一个氧气最低区——这种情况在全球仅发生在三个地方。

沃德说:“这三个地区是世界上渔业资源最丰富的地区。“当你把富含硝酸盐的水带到水面时,你就能提高生产效率。然后所有这些生产力——所有这些鱼和其他生物量——要么被吃掉,要么在下降的过程中下沉并降解。降解的东西会消耗氧气,所以地表水和地下缺氧的水非常丰富,这就是为什么我们在这里。”

沃德说,远离墨西哥西海岸的东热带北太平洋是三个上升流地区中最容易到达的。但海洋中心没有高速Wi-Fi,所以一周两次飞到教室是不可能的。

相反,沃德录下了显示她正在做的工作的视频,然后慢慢地(通过卫星)上传给校园里的学生。她还发送了研究船的仪器收集到的深度剖面的原始数据——不同海洋深度的化学和生物测量数据。在课堂上,研究生助教雷切尔哈里斯(Rachel Harris)带领学生们浏览了视频,让他们有机会就巡航和沃德正在收集的数据背后的原理提出问题。

哈里斯说,这些学生,包括大三、大四和研究生,都喜欢接触未经过滤的数据。“学生们整个学期都能从各种各样的论文中看到深度概况,但他们能够基于实时收集的原始数据来处理问题集问题,这真的很酷。”

为了收集数据和水样,研究人员依赖于“CTD”,这是一种收集水样并测量海水电导率、温度和压力的采样仪器。(D代表深度,与压力有关。)

Ship raising sampling instrument from waters off western coast of Mexico

船员们准备将CTD降低到海洋中收集水样和测量数据。

在每次取样过程中,研究人员都会将CTD降低到海洋深处。当手动或由计算机触发时,每一个响铃的瓶子都可以独立地打开和关闭,这使得该设备能够从许多不同的深度收集水样,用于日后的生物和化学分析。

沃德说:“船上的生活围绕着采样,早上、中午和晚上。

John Tracey working on ship putting samples into bottles

当CTD完成它的采样运行后,研究人员将样本抽取到小瓶子和小瓶子中开始他们的实验。研究生约翰·特蕾西(左)在船上学习“生物海洋学”,准备普通考试。

在这次巡航研究中,沃德第一次有机会使用“氧化剂”,一种微小的、新颖的技术来测量每个水样中的氧浓度。沃德说:“我们对这个全新的系统感到非常兴奋。“整个科学项目都围绕着我们工作的海水中没有氧气这一事实展开,正如你可能想象的那样,我们几乎不可能取样并保持这种状态。我们真的很高兴有了这个新仪器,我们可以把水放进瓶子里,然后不用打开瓶子就能测量里面有多少氧气。”

Claudia Frey working in lab

目前在瑞士巴塞尔大学(University of Basel)担任博士后研究助理的克劳迪娅·弗雷(Claudia Frey)使用注射器向研究团队收集的大约6000瓶水和微生物中注入示踪剂,同时研究生孙欣分析她背后的数据。

在如此短的时间内收集样本,这将提供多年的分析,研究人员花了很长时间收集和准备样本。沃德实验室的研究生孙欣(音译)说:“参加科研巡航是如此珍贵的机会,没有人愿意浪费一秒钟。”

尽管科学研究从未停止,但我们仍然有时间吃饭和欢笑。孙说:“我们一边吃着花生酱百吉饼,一边聊着科学,互相学习。”在一个工艺站疯狂地工作之后,我们唱着歌,弹着吉他,互相加油打气。我非常、非常珍惜这次航行中获得的科学知识和友谊。”

特蕾西和孙一致认为,工作、吃饭和休息时间的缩短带来了一个非常棒的教育环境。特雷西说:“从实验室工作到学习再到向他人学习,无缝衔接是很容易的。”贝丝以前的许多研究生都很有帮助地盘问我——问问题——帮助我为将军做准备。我从未有过这样的学习经历,在一起学习和探索的同时建立友谊。”

John Tracey wearing life jacket

特蕾西没有让每周的安全演习干扰样本的准备工作。

Scientists walking back to the research vessel Sally Ride at the dock in Manzanillo, Mexico

在墨西哥曼萨尼略的码头上,科学家们走回美国舰队中最大的研究船之一Sally Ride号。左起:地球科学高级专业专家阿迈勒·贾亚库马尔;2015届毕业生泰勒·塔玛西;彭学峰(Nick Peng), 2015年在沃德完成博士学位;以及博士后研究助理阿什利·马洛尼。

 

Bess Ward and members of her lab standing on deck of ship

沃德实验室的过去和现在的成员,统称为“婴儿”,在太阳落山时聚集在太平洋上。左起:彭尼克、泰勒·塔玛西、贝丝·沃德、约翰·特雷西、克劳迪娅·弗雷、孙欣和阿迈勒·贾亚库马尔。