Stasjonert inne i en huleaktig trebygning i San Diego, California, bare noen skritt fra bølgene i Stillehavet, buldret verdens første havatmosfære-simulator til live. Med et trykk på en bryter og et sus av lyder begynte meterhøye bølger å strømme gjennom en 120 fot lang tank rigget til en rekke sensorer, lys og datamaskiner.
De Scripps Ocean Atmosphere Research Simulator, eller SOARS, etterligner samspillet mellom vann, vær, saltholdighet, kjemi og mikrobielt marint liv ved havoverflaten i laboratoriemiljø. Designet av Scripps Institute of Oceanography ved University of California San Diego, kan dette miniatyrbiomet generere betydelige bølger, skape vinder med orkanstyrke, kontrollere luft- og vanntemperaturen for å gjenskape polare og tropiske forhold, og churne opp planteplanktonoppblomstringer med et bredt utvalg av arter. I tillegg lar SOARS forskere teste variabler som drivhusgasser og andre luftforurensninger for studier av fremtidige klimascenarier.
Med potensialet til å matche og reprodusere fysikken, biologien og kjemien på tvers av de syv hav, så vel som på tvers av tiden selv, har simulatoren som mål å tjene som en katalysator for tverrfaglig, havrelatert utforskning, sier teamet bak. Mer spesifikt har det potensial til å utdype vår forståelse av samspillet mellom havet og atmosfæren – et lag som spiller en overordnet rolle i planetens funksjoner.
Det som skjer på overflaten av vannet er like viktig som det som skjer under det.
SIO Hydraulics Laboratory, som huser SOARS, ble bygget i 1964 for nettopp denne typen store eksperimentelle apparater. Gjennom tiårene har den lagret en rekke bølgekanaler og bassenger, strømningstanker og en mer forenklet vindkanal. Etter hvert som utstyret eldes og tas ut av drift, overlater universitetet plassen til mer avanserte instrumenter, som den nye simulatoren.
“SOARS er helt unik og en første i sitt slag,” sier Dale Stokes, Scripps-oseanograf og med-hovedetterforsker av SOARS. “Det er andre bølgekanaler eller vindtunneler rundt, men ingenting med den fulle miljøkontrollen og kompleksiteten som SOARS har … så vel som dens evne til å gjenskape havoverflaten hvor som helst på planeten.”
[Related: Jacques Cousteau’s grandson is building a network of ocean floor research stations]
Maskinen, som tok fem år å fullføre, ble først og fremst finansiert av et stipend på 2,8 millioner dollar fra The National Science Foundation og konstruert av vindtunnelprodusenten Aerolab. Paul Vasilescu, visepresident ved Aerolab og hovedingeniør for SOARS, har sjelden blitt så imponert over en av oppfinnelsene hans.
“Vi startet med en ren tavle og utviklet dette helt fra bunnen av så langt som det generelle designet,” sier Vasilescu. “Det er definitivt spennende å kunne komme opp med denne maskinen og virkelig muliggjøre den typen forskning som [Scripps is] vil kunne bruke den til.”
Den 36 000 gallon saltvannstanken fylles rett fra San Diegos La Jolla Cove. Den har en stor åre som genererer bølger på kommando, og er opplyst av både justerbare takvinduer og levende pærer som simulerer naturlig lys som treffer havets overflate.
Når det gjelder marine økosystemer, er det som skjer på overflaten av vannet like viktig som det som skjer under det. Å studere luft-sjø-grensen, der atmosfæren og havet krysser hverandre, var hovedmotivet for å lage simulatoren. Som en av de mest kjemisk og fysisk dynamiske miljøene i verdengrensen mellom luft og hav er avgjørende for livet i havene – og alle andre steder.
“Det er et spesielt sted, en intrikat dans mellom vann og luft,” sier Grant Deane, Scripps-oseanograf og co-hovedetterforsker av SOARS. «Fordi grensen mellom luft og hav dekker 71 prosent av jorden, er det som skjer der, knyttet til planetens skjebne. Omtrent 90 prosent av varmen fanget av overflødige klimagasser og en tredjedel av all karbondioksid som slippes ut over planeten går gjennom grensen til havet. Det har en veldig, veldig viktig innvirkning på vær og klima. ”
Når vann og andre partikler fordamper fra luft-sjø-grensen, kondenserer de for å kontrollere dannelsen av skyer eller damp. Dette vannet går deretter tilbake til bakken gjennom nedbør, og opprettholder planter, mikrober, dyr og mennesker.
Tidligere ville marinbiologer og andre forskere utført sin forskning på luft-sjøgrensen på skip og komplekse datamaskiner. Men det kan være svært vanskelig å studere subtil kjemisk og fysisk dynamikk på vannoverflaten på Moder Naturs nåde – for ikke å nevne dyrt. Mens SOARS-teamet sier at simulatoren ikke er ment å være en erstatning for havgående utforskning, kan den fungere som en bro mellom laboratoriet og de ville elementene.
Timothy Bertram, en atmosfærisk kjemiker ved University of Wisconsin, er en av mange forskere som er ivrige etter å både se SOARS i aksjon og bidra til den kommende undersøkelsen av hav-luft-grensen.
“Miljøgrenser er noen av de mest fascinerende områdene for forskning, ettersom masse og energi utveksles mellom rom i jordsystemet,” sier Bertram. “Men å studere prosesser ved disse grensesnittene er notorisk vanskelig å gjøre på en systematisk og kontrollert måte. SOARS vil generere interesse for et stort antall felt og tillate tverrfaglige studier som ofte er vanskelige å orkestrere.”
En av de største mulighetene simulatoren gir er et dypdykk i hva som skjer ved polene. I arktiske områder inkluderer luft-sjøgrensen isdekker, som er avhengige av både oseanisk og atmosfærisk stabilitet. Med SOARS sine mer kjølige omgivelser vil forskere kunne studere samspillet mellom smeltende is og havnivåstigning, samt overføring av mikroorganismer fra vannet til luften. Grupper som er interessert i å studere Antarktishavet kan også sette maskinen i polarmodus, og senke saltvannstemperaturen til 34 grader Fahrenheit og vindtemperaturen til -2 grader Fahrenheit.
“Vi kan vri på knottene og bruke den som en tidsmaskin,” sier Stokes. “Vi kan få det til å simulere forhold som vi hadde i den siste tiden, eller vi kan for eksempel ringe opp CO2 nivåer og se på hva som vil skje med disse mikroorganismene i fremtiden.”
Ved å gi tilgang til simulatoren til kjemikere, biologer, havforskere og mer, håper Scripps at SOARS ikke bare vil tjene som et innovativt forskningsanlegg, men som en inspirerende smeltedigel for vitenskapens fremtid.
[Related: Climate change is making the ocean lose its memory. Here’s what that means.]
I løpet av de neste ukene vil Deane, Stokes og Vasilescu samarbeide med eksterne forskere og laboratorier for å konfigurere maskinen for et mangfold av eksperimenter. Simulatoren er allerede planlagt for å få en vindkraftoppgradering for bedre å etterligne orkaner og tropiske stormer. Dette kan føre til å forbedre byggeforskrifter for strukturer i den virkelige verden for å hjelpe dem å tåle ekstreme værhendelser som blir mer utbredt over tid.
“Selv om det ikke er noe annet som SOARS på planeten, håper vi virkelig at andre land vil bygge en av sine egne,” sier Deane. «Havet er et veldig komplekst system, og det bryr seg ikke om vi deler oss inn i disse forskjellige delene eller feltene. Vi kan jobbe mye med [our simulator]men vi kan gjøre enda mer hvis denne innsatsen reproduseres og samarbeides.»