Epipelagic to mesopelagic variability of acoustic backscatter in the California Current

Dit onderzoek analyseert elf jaar aan visserij-akoestische data in het Californië-stelsel om de ruimtelijke en temporele variatie van midden-trofische organismen in de epipelagische en mesopelagische zones te karakteriseren en de onderliggende omgevingsmechanismen te verklaren.

De kern

De Stille Dans van de Diepe Oceaan: Een Verhaal over Vissen, Krill en de Californische Stroom

Stel je de oceaan voor als een gigantisch, onzichtbaar bioscine. In de Californische Stroom (de watermassa langs de kust van Californië) spelen zich elke dag complexe drama's af tussen kleine vissen, krill en diepzeebewoners. Maar omdat we niet onder water kunnen kijken, is dit bioscine voor ons grotendeels een mysterie.

Deze studie is als het ware een superkrachtige "sonar-bril" die wetenschappers hebben opgezet. Ze hebben 11 jaar lang geluisterd naar het geluid dat deze dieren maken (of reflecteren) om te zien wie er waar is, wanneer ze er zijn en waarom.

Hier is wat ze hebben ontdekt, vertaald in een eenvoudig verhaal:

1. De Drie Verdiepingen van het Oceanische Huis

Stel je de oceaan voor als een flatgebouw met drie verdiepingen:

• De Zolder (Epipelagisch): Hier woont het "dagelijkse" leven. Hier vind je kleine vissen zoals sardines en anjovis, en krill. Ze houden van zonlicht en drijven vaak dicht bij de kust.
• De Kelder (Mesopelagisch): Dit is de donkere, koude verdieping diep onder water. Hier wonen mysterieuze diepzeevissen die nooit het zonlicht zien.
• De Lift (De Migranten): Sommige bewoners van de kelder nemen 's nachts de lift naar de zolder om te eten, en gaan overdag weer terug naar beneden.

2. Het Grote Verschil: Kust vs. Open Oceaan

De onderzoekers zagen een duidelijk patroon in hoe deze bewoners zich verspreiden:

• De Zolder (Dichtbij de kust): Hier is het druk! De kust is als een gigantisch buffet. Door het opwellen van koud, voedzaam water (upwelling) groeit er veel algen, wat weer voedsel is voor krill en kleine vissen. Maar naarmate je verder de oceaan in zwemt, wordt dit buffet kleiner. De hoeveelheid vissen en krill neemt snel af, alsof je de kust verlaat en de lege woestijn in loopt.
• De Kelder (Diep in de oceaan): Hier is het anders. De diepzeevissen zijn niet afhankelijk van het kust-buffet. Ze zijn als onafhankelijke kampeerders die overal kunnen overleven. Hun aantal blijft vrijwel hetzelfde, of je nu dicht bij de kust bent of 500 kilometer de oceaan in. Ze zijn minder gevoelig voor wat er boven hen gebeurt.

De les: Dichtbij de kust is het leven "oppervlakkig" en druk, maar diep in de oceaan is het leven "diep" en gelijkmatig verspreid.

3. De Seizoensdans: Wie komt er eerst?

De natuur volgt een strikt tijdschema, net als een goed georganiseerd feest:

1. Lente (Het begin): De wind blaast koud water omhoog. Eerst bloeien de algen (het eten).
2. Zomer (De opkomst): De krill en kleine vissen (de zolder) vieren eerst. Ze eten de algen op en worden talrijk.
3. Herfst/Winter (De late gasten): Pas later, vaak maanden na het begin van het feest, bereiken de diepzeevissen hun piek. Ze lijken te wachten tot de zolder rustig is, of tot de omstandigheden in de diepte ideaal zijn.

Het is alsof de diepzeevissen een vertraging hebben in hun biologische klok. Terwijl de vissen boven water alweer naar huis gaan, komen de diepzeebewoners net op hun hoogtepunt.

4. De Noord-Zuid Reis

Als je langs de kust van Californië reist (van het zuiden naar het noorden), zie je geen één groot centrum van leven, maar verschillende hotspots.

• Er zijn plekken waar de krill zich verzamelt (zoals bij 35° en 41° noorderbreedte).
• De vissen volgen deze hotspots, maar zitten vaak net iets verder naar het noorden of zuiden.
• Het is alsof er verschillende feestlocaties zijn langs de kust, en elke groep dieren heeft zijn eigen favoriete plek, afhankelijk van de stroming en de temperatuur van het water.

5. Waarom is dit belangrijk?

Deze vissen en krill zijn de schakel in het voedselweb. Ze eten het kleine plankton en worden op hun beurt gegeten door grote roofdieren zoals zeeleeuwen, haaien en walvissen.

• Als we begrijpen hoe deze "stille dans" werkt, weten we beter waar de grote dieren te vinden zijn.
• We begrijpen ook hoe klimaatverandering (zoals warmere wateren of minder wind) dit hele systeem kan verstoren. Als het buffet op de zolder verdwijnt, heeft dat effect op de lift en de kelder.

Samenvattend

Deze studie laat zien dat de oceaan geen statische massa is, maar een dynamisch, gelaagd systeem.

• Dichtbij de kust is het leven druk en seizoensgebonden (afhankelijk van de wind en het weer).
• Diep in de oceaan is het leven rustig en constant (onafhankelijk van het weer boven).
• En alles beweegt in een gecoördineerde dans, waarbij elke groep dieren zijn eigen tijdstip en plek heeft om te gedijen.

Door 11 jaar aan geluidsdata te analyseren, hebben de onderzoekers de "onzichtbare" wereld van de midden-voedselketen eindelijk in kaart gebracht, alsof ze eindelijk de deuren van het onderwater-bioscine open hebben gedaan.

Technische samenvatting

Probleemstelling

Mid-trofische niveaus (MTL), waaronder macrozoöplankton, forage-vissen (zoals sardines en ansjovis) en mesopelagische vissen, spelen een cruciale rol in mariene ecosystemen door energie en biomassa over te dragen van primaire producenten naar toproofdieren. In het Californische Stroomgebied (California Current System - CCS) is de ruimtelijke en temporele variabiliteit van deze organismen echter slecht begrepen, vooral wat betreft hun verticale structuur tussen de epipelagische (bovenste) en mesopelagische (middenwater) zones en de gradiënten van kust naar open oceaan.

Deze kennislacune ontstaat door twee factoren:

1. De complexiteit van de interacties tussen MTL-organismen en een heterogene omgeving.
2. De uitdagingen bij het bemonsteren van deze organismen met hoge ruimtelijke en temporele resolutie.

Bestaande modellen van trofische opvolging (waarbij biomassa zich verplaatst van plankton naar vissen) zijn vaak beperkt tot lagere trofische niveaus; het is onduidelijk in hoeverre deze framework geldt voor MTL-vissen en hoe deze zich verhouden tot de verticale structuur van het ecosysteem.

Methodologie

De auteurs hebben een analyse uitgevoerd van 11 jaar aan visserij-akoestische waarnemingen (2006–2016) in het CCS.

• Data: Er zijn 41 cruises gebruikt, uitgevoerd door verschillende onderzoeksschepen (o.a. CalCOFI, HAKE, SAKE, CCE-LTER), met een totaal van 844 observatiedagen. De data zijn afkomstig van Simrad EK60 wetenschappelijke echosounders.
• Frequenties: De analyse focust op data van 38 kHz en 120 kHz, omdat deze frequenties door alle cruises zijn opgenomen en geschikt zijn om vissen (met zwemblaas) en zoöplankton te onderscheiden.
• Data Processing:
  • Ruwe echogrammen werden schoongemaakt van artefacten (ruis, bodemecho's, schipsonderdelen) en omgezet naar tijd-afhankelijke verticale gemiddelde backscattersterkte ($S_v$).
  • De data werden gebinned in 1 meter diepte en 30 seconden tijdintervallen, en vervolgens gemiddeld over 4 km afstandsbins.
  • Classificatie: Door gebruik te maken van het verschil in backscatter tussen 38 kHz en 120 kHz ($\Delta S_v$) en dag/nacht-vergelijkingen, werden vier functionele groepen gedefinieerd:
    1. Zoöplankton (epipelagisch, dag).
    2. Epipelagische vissen (dag).
    3. Migrant mesopelagische vissen (gedetecteerd via dag/nacht-verschil).
    4. Resident mesopelagische vissen (dag, dieper).
• Indicatoren: Naast de Nautical Area Scattering Coefficient ($s_A$, als proxy voor abundantie) werden twee indicatoren voor verticale structuur berekend:
  • Center of Mass (CM): De gewogen gemiddelde diepte van de organismen.
  • Vertical Spread (VS): De dispersie van de organismen rondom het zwaartepunt.
• Omgevingsvariabelen: De akoestische data werden gekoppeld aan 14 omgevingsvariabelen (satellietdata, reanalyses zoals SODA en GOBAI-O2), waaronder chlorofyl, temperatuur, zuurstofgradiënten, en stromingsenergie.
• Analyse: De variabiliteit werd geanalyseerd langs drie dimensies:
  1. Kust-open oceaan gradiënt (zuidelijk Californië).
  2. Seizoensvariatie (zuidelijk Californië).
  3. Meridionale (langs de kust) variatie tijdens de piek van het opwellingsseizoen.

Belangrijkste Bijdragen

1. Uitgebreide Dataset: Het samenvoegen van meer dan een decennium aan heterogene akoestische data tot een consistent dataset voor het hele CCS.
2. Verticale Structuur: Het expliciet onderscheiden van migranten en residenten in de mesopelagische zone en het kwantificeren van de koppeling tussen epipelagische en mesopelagische gemeenschappen.
3. Mechanismen: Het identificeren van specifieke omgevingsdrijvers (zoals zuurstofgradiënten en watermassa-eigenschappen) die de verdeling van MTL's bepalen, en het uitbreiden van het concept van trofische opvolging naar hogere trofische niveaus.

Resultaten

De analyse onthulde drie consistente patronen:

1. Kust-open oceaan variabiliteit (Cross-shore):

• Epipelagisch: Er is een sterke afname van backscatter (zoöplankton en vissen) van de kust naar de open oceaan. Zoöplankton neemt sneller af (100 km) dan vissen (200 km).
• Mesopelagisch: In tegenstelling tot de bovenste lagen, vertoont de mesopelagische backscatter een homogene verdeling over de kust-open oceaan gradiënt.
• Correlaties: Epipelagische gemeenschappen correleren sterk met productiviteit (chlorofyl), terwijl mesopelagische gemeenschappen sterker correleren met watermassa-eigenschappen (zoutgehalte, temperatuurgradiënten) en verticale habitatstructuur (zuurstofgradiënten, menglaagdiepte).

2. Seizoensvariatie (Seasonal):

• Er is een duidelijke tijdsvertraging (lag) in de trofische opvolging na de start van de opwelling (upwelling):
  • Eerst piekt zoöplankton.
  • Daarna epipelagische vissen.
  • Tot slot mesopelagische vissen (piek in de herfst/winter, lang nadat de opwelling is afgenomen).
• Het zwaartepunt (Center of Mass) van de organismen verplaatst zich seizoensgebonden: ondieper in het voorjaar (tijdens de epipelagische piek) en dieper in de winter.

3. Meridionale variabiliteit (Alongshore):

• De verdeling is niet uniform langs de kust, maar toont meerdere pieken (multimodaal).
• Zoöplankton en epipelagische vissen tonen pieken rond 35°N en 43°N, wat verschuift ten opzichte van de kern van de opwelling (rond 39°N).
• Mesopelagische vissen tonen ook twee brede pieken, maar deze zijn verschoven naar hogere breedtegraden (noordelijker) en dieper in het water.

4. Migrant vs. Resident Mesopelagische Vissen:

• Migranten vertonen een vergelijkbare variabiliteit als epipelagische groepen (afhankelijk van oppervlakteproductiviteit).
• Residenten zijn sterker afhankelijk van diepe watermassa-eigenschappen en vertonen een meer uniforme verdeling.

Betekenis en Conclusie

De studie biedt een synthetisch beeld van de dynamiek van mid-trofische niveaus in het CCS en bevestigt dat de principes van trofische opvolging (van plankton naar vissen) gelden, maar met significante ruimtelijke en temporele verschuivingen.

• Ecologische Inzicht: De resultaten suggereren dat mesopelagische gemeenschappen minder afhankelijk zijn van directe kustproductiviteit dan epipelagische gemeenschappen, waarschijnlijk vanwege lagere metabole eisen in koud, diep water en een grotere afhankelijkheid van watermassa-eigenschappen en zuurstofniveaus.
• Klimaatimpact: De variabiliteit wordt sterk beïnvloed door inter-jaarlijkse schommelingen in opwelling en klimaatpatronen (zoals ENSO en PDO), wat impliceert dat veranderingen in het klimaat de verticale en horizontale verdeling van deze cruciale voedselbronnen voor toproofdieren (zoals walvissen en zeevogels) aanzienlijk kunnen veranderen.
• Toekomst: De studie benadrukt de noodzaak van langdurige monitoring om de complexe interacties tussen fysische forcing en biologische respons beter te begrijpen, en biedt een basis voor het ontwikkelen van modellen die MTL-dynamiek voorspellen in een veranderend klimaat.

Kortom, dit onderzoek vult een cruciale kennislacune op door te tonen hoe akoestische backscatter variatie verticaal en horizontaal verloopt in het CCS, en koppelt deze patronen aan onderliggende fysische en biologische mechanismen.