El oxígeno es esencial para los organismos vivos, especialmente la vida multicelular, para metabolizar la materia orgánica e impulsar todas las actividades vitales. Aproximadamente la mitad del oxígeno que respiramos proviene de la vida vegetal terrestre, como bosques y pastizales, mientras que la otra mitad se produce a través de la fotosíntesis de las algas marinas en las aguas superficiales del océano.
Las concentraciones de oxígeno están disminuyendo en muchas partes de los océanos del mundo. Los expertos creen que esta caída está relacionada con el calentamiento de la superficie del mar y sus efectos sobre la física y la química del agua de mar, aunque el problema no se comprende completamente. La temperatura juega un papel importante a la hora de determinar cómo se disuelve el oxígeno en el agua de mar; A medida que el agua se calienta, pierde su capacidad de retener gas.
“Calcular la cantidad de oxígeno perdido en los océanos es un desafío debido a las limitadas mediciones históricas y a la inconsistencia en el tiempo”, dijo Taka Ito, oceanógrafo y profesor de la Escuela de Ciencias de la Tierra y Atmosféricas de Georgia Tech. “Para comprender los niveles globales de oxígeno y sus cambios, necesitamos llenar muchos vacíos de datos”.
Un equipo de estudiantes investigadores intentó resolver este problema. Dirigido por Ito, el equipo desarrolló un nuevo enfoque basado en el aprendizaje automático para comprender y representar con mayor precisión la disminución de los niveles globales de oxígeno en los océanos. Utilizando el conjunto de datos, el equipo creó un mapa mensual del contenido de oxígeno, visualizando el agotamiento del oxígeno en los océanos durante varias décadas más. publicado en su investigación Revista de investigación geofísica: aprendizaje automático y computación.
“Los científicos marinos necesitan comprender la distribución del oxígeno en el océano, cuánto está cambiando, dónde ocurren los cambios y por qué”, dijo Aaron Sarvania, Ph.D. estudiante en el laboratorio de Ito. “Se han utilizado métodos estadísticos durante mucho tiempo para esta estimación, pero las técnicas de aprendizaje automático pueden mejorar la precisión y resolución de nuestras evaluaciones de oxígeno”.
El proyecto comenzó hace tres años con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias, y el equipo inicialmente se centró únicamente en datos del Océano Atlántico para probar el nuevo método. Utilizaron un modelo computacional para generar observaciones hipotéticas, lo que les permitió evaluar qué tan bien podían reconstruir los datos faltantes del nivel de oxígeno utilizando una fracción de los datos combinados con el aprendizaje automático. Después de desarrollar este método, el equipo se expandió a observaciones oceánicas globales, involucrando a estudiantes graduados y asignando trabajos en diferentes cuencas oceánicas.
Bajo la dirección de Ito, Servania y otros estudiantes investigadores desarrollaron algoritmos para analizar la relación entre el contenido de oxígeno y variables como la temperatura, la salinidad y la presión. Utilizaron un conjunto de datos de observaciones históricas de oxígeno desde barcos de la década de 1960 y datos más recientes de flotadores Argo: dispositivos autónomos a la deriva que recopilan y miden la temperatura y la salinidad. Aunque los datos sobre el oxígeno existían antes de la década de 1960, los registros anteriores tenían problemas de precisión, por lo que el equipo se centró en los datos de la década de 1960. Luego crearon un mapa mensual global del contenido de oxígeno del océano desde 1965 hasta el presente.
“Utilizando un enfoque de aprendizaje automático, pudimos evaluar con mayor precisión la tasa de pérdida de oxígeno en diferentes períodos de tiempo y lugares”, dijo Servania. “Nuestros hallazgos indican que la incorporación de datos de flotación aumenta significativamente las estimaciones de pérdida de oxígeno al tiempo que reduce la incertidumbre”.
El equipo descubrió que los océanos del mundo perdieron oxígeno a un ritmo de aproximadamente el 0,7% por década entre 1970 y 2010. Esta hipótesis sugiere una respuesta oceánica relativamente rápida al cambio climático reciente, con posibles efectos a largo plazo sobre la salud y la sostenibilidad de los ecosistemas marinos. . Sus estimaciones también se encuentran dentro del rango de colapso sugerido por otros estudios, lo que indica la precisión y eficacia de su método.
“Calculamos las tendencias en los niveles globales de oxígeno y el inventario oceánico, analizando esencialmente las tasas de cambio en las últimas cinco décadas”, dijo Servania. “Es alentador que nuestra tasa sea consistente con estimaciones anteriores de otros métodos, lo que nos da confianza. Estamos haciendo una estimación sólida tanto de nuestro estudio como de otras investigaciones”.
Según Ito, el nuevo enfoque del equipo aborda un desafío continuo en la comunidad marina: cómo integrar eficazmente diferentes fuentes de datos con diferentes precisiones e incertidumbres para comprender los cambios en los océanos.
“La integración de tecnologías avanzadas como el aprendizaje automático será esencial para llenar los vacíos de datos y proporcionar una imagen más clara de cómo nuestros océanos están respondiendo al cambio climático”.