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监测海洋酸化并满足不断增长的全球粮食需求
化石燃料燃烧和其他人类相关活动会向大气环境排放大量二氧化碳(CO2)1，而这其中约有25%被吸收到海洋中。海水吸收二氧化碳会导致海洋pH值降低。这个过程称为海洋酸化，会对海洋和人类带来潜在的毁灭性影响。
海洋酸化不仅对海洋生态系统造成严重破坏，还直接影响数百万渔民的生计，并威胁到为超过33亿人提供蛋白质的众多物种2。我们需要进行广泛的pH监测，才能更深入地了解酸化如何影响贝类和其他海洋种群的生存能力。
2021年，ADI公司(ADI)与伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)合作建立海洋与气候创新加速器(OCIA)，旨在迅速推动和启用基于海洋的全新气候变化解决方案。OCIA联盟率先将工业界、学术界和慈善机构整合在一起，致力于应对气候变化的挑战、保护海洋生物和维护海洋安全。为支持WHOI，ADI开发了许多项目，其中包括部署在渔船上的低成本pH传感器。
伍兹霍尔海洋研究所
WHOI的科学家和工程师致力于全面了解海洋状况，深入探究海洋与地球大气、陆地以及海岸之间的复杂联系，为人类地球环境管理提供指导意见。WHOI希望开发价格低廉、可扩展性强的技术，以更有效地掌握海洋和气候影响，为政策制定提供详细信息。其工作重点之一在于测量和监测海洋酸化状况，并解决这对渔业、渔民和全球粮食缺乏保障的影响。
概览
机构
WHOI是全球大型独立海洋研究机构，拥有300多名科学家和工程师、100多名学员、两艘大型船舶和数百艘潜水器。
应用
开箱即用的光学传感器，内含ADI的ADPD4101芯片（用于处理LED信号）并采用CN0503省时参考设计，可在水深达300米的范围内进行快速、连续和高质量的原位pH测量。
挑战
打造准确性高、成本低、可扩展的自动化原位仪器，用于测量海洋pH值，并且可以部署在数千个渔具上，渔民只需少量培训即可像专业人员一样操作。
目标
在深度达300米的渔具上部署低成本pH传感器，原位准确测量沿海水域的pH值，并绘制可持续更新的沿海海岸区域天气图。从传感器获得的数据可用于制定相关缓解政策，以帮助应对海洋酸化。
监测海洋酸化和海洋生物数量减少的情况
自工业革命开始以来，人类过度排放二氧化碳，致使海水发生了一系列变化，使海洋表面平均pH值降低了0.1个单位（即水体酸度增加了约30%）3。此外，大气中二氧化碳的增加也使得气温上升，进而导致海洋变暖。
酸化和变暖对海洋生态系统的影响
1- 二氧化碳排放；2- 直接影响；3- 间接影响
海洋酸化对珊瑚、牡蛎、虾和扇贝等有外骨骼和贝壳的动物造成严重损害。海水酸度增加会导致这些生物难以生长发育和维持其结构，从而引发生长速度减慢和死亡率增加等问题。海洋酸化破坏了整个海洋生态网络，导致自然生态系统失衡，进而让整个食物链产生连锁反应，鱼类和其他依赖这些生物体获取食物和栖息地的物种也难避其害5。
澳大利亚大堡礁的活珊瑚在短短三十年里就减少了一半，珊瑚礁的海洋生物栖息地也在急剧缩小。1,429英里珊瑚礁里93%以上都出现了珊瑚白化现象6。
数十亿人依赖海洋生物维持生计
地球海洋pH值下降对全球粮食安全影响深远。世界上近三分之一的人（23.7亿人）缺乏足够的食物和营养，而7.2亿至8.11亿人遭受饥饿7。全球人口仍在持续攀升，每年增长1.1%（即8,300万人），我们迫切需要稳定供应健康的贝类和其他海鲜产品，以满足全球人口的食物需求8。
根据联合国报告《世界渔业和水产养殖状况》，海鲜和渔业产品是全球公认的健康食品之一。其中的物种主要是一些对自然环境影响较小的物种9。海鲜类别多样、营养价值高，增加海鲜消耗量可以直接避免营养不良问题，并纠正不平衡的高热量和低微量元素饮食习惯2。
海洋酸化愈演愈烈对众多渔业产生了巨大影响，也给渔民和依赖海鲜作为蛋白质来源的人们带来了严峻挑战。捕捞量减少导致渔民收入减少，对全球渔业社群的经济生存能力产生负面影响，更对部落渔业社群中弱势土著居民带来严峻打击。
缅因湾、切萨皮克湾、墨西哥湾和巴塔哥尼亚的渔民也未能幸免于难。由于许多鱼类灭绝以及其他鱼类从珊瑚礁和沿海地区迁移到危害较小的水域，当地捕捞量已减少10。
保护海洋，福泽万代
海洋与气候创新加速器(OCIA)项目经理Kathryn Hautanen表示：“我们正在与WHOI的十多个团队携手合作，应对设计挑战，并提供研究资金、新款先进硬件以及ADI的技术专业知识。该联盟正在帮助WHOI及其科学家和工程师加快工作进度，开发创新型解决方案，以更深刻地认识气候变化对海洋的影响。”
运用技术：带来准确、广泛、低成本的测量方案
一个OCIA项目向海洋化学家Z. Aleck Wang博士和Jennie Rheuban以及物理海洋学家Glen Gawarkiewicz提供了10万美元的孵化资助，旨在开发低成本原位传感器系统的原型，用于高频、可定制地测量海水pH。传感器需部署在渔船或其他机会平台上，从而在沿海的水柱中进行高分辨率测量。MIT-WHOI联合项目的研究生Jonathan Pfeifer表示：“我们计划将这些仪器交给渔民，让他们固定在相关装备上，然后将扔入水中。理想情况下，我们希望在仪器下沉到水柱中时持续测量pH值。渔民将设备打捞上来后，设备就会将数据无线传输到云端，所有科学家和其他渔民都可以访问这些数据。”
Pfeifer说：“我们希望通过在目标区域进行更高密度的观测活动来强化现有数据集，以更全面地了解目前海洋酸化的状况”。以成本较低的方式高效监测海洋酸化对于跟踪海洋状况和保护贝类健康至关重要。借助当地渔船来大规模获取数据就是一种性价比较高的方式。渔民是数据的主要利益相关者。
Hautanen表示：“半导体器件可以使设备缩小一个数量级，并且更加便宜，能效更高。WHOI流程中使用的传感技术适合用于大规模制造芯片。”
ADI、WHOI科学家和工程师以及Pfeifer正在开展合作，利用在不同领域经过验证的ADI技术，率先开发体积小巧、经济实惠、易于使用的自动化原位pH传感器。该工具必须能够在海上进行连续测量，并且不需要复杂且昂贵的元件。我们的目标是为渔业公民科学家队伍提供强大的工具，以对抗海洋酸化、气候变化和粮食缺乏保障挑战。
测量海洋酸化状况
WHOI面临的挑战在于如何确定和整合切实可行的技术来生成光束和处理吸光度数据。
pH传感器采用与海水混合的微量pH敏感染料来测量pH值，然后用一束光透射液体混合物，以测量两个波长的吸光度。这种方法可以实现非常高精度的海洋学pH值测量。
合作打造光谱仪
Pfeifer表示：“我与OCIA的Kathryn Hautanen进行了交谈，她帮我联系了ADI工程师Guixue Bu。Guixue仔细了解了我们的要求，并为我们选择了ADI的ADPD4101模拟前端(AFE)，该器件精度高、支持实时检测、外形小巧、易于使用且成本较低。该小型化解决方案包括一个功能完善、高度集成的光度测量、多模态传感器前端，并且全部集成在一个芯片中，其性能优于我们之前开发的任何其他原型光谱测量系统！”
借助参考设计加快开发速度
ADI创建了一个参考平台来促进液体分析测量的快速原型设计。如果没有参考设计，大多数解决方案都需要经验丰富的工程师来开发电路、编写软件、仿真、执行广泛的测试、布局和制造电路板。该过程通常可能需花费数月。
Pfeifer表示：“如果您遇到棘手的电气问题，有点难以解决。此时参考设计通常可以在开箱后的一天内为您提供快速解答。使用ADI的CN0503光学液体分析参考平台，我只需开箱，插入电源，下载一些参考代码，然后就可以开始进行测量，省下了大量的开发和实验工作。”
Pfeifer补充说：“ADI公司的CN0503评估套件为ADPD4101测试带来了突破性改变。该器件充分地满足了我们的需求，为我们节省了数月的开发时间，而且其性能完全超出了我们的预期。毫无疑问，ADI公司已经站在了技术前沿，我迫不及待地想了解他们还推出了什么新产品。”
海洋天气预报和后续安排
WHOI的低成本pH传感器原型制作的开发过程顺利进行。Pfeifer表示：“成本预计仅为几千美元，比我们其他仪器估算的开销少了十倍。”WHOI领导该项目Z. Aleck Wang博士表示：“我们的下一步是向联邦机构或私人基金会提交一份提案，并将该计划扩大到美国东北海岸附近的水域，以彰显我们的能力。”
OCIA监测海洋的举措旨在提供宝贵数据，进而帮助解决自19世纪末以来气候变化和过度捕捞造成的捕捞产量下降的问题。我们仍需展开深入研究，以有效应对海洋酸化的威胁，维护海洋生态平衡。通过探索全新解决方案，解决海洋酸化问题及其对海洋生物的危害，我们有望为全球数十亿人的粮食安全提供保障。
1 “海洋——应对气候变化的全球最佳盟友”，联合国。
2 “世界渔业和水产养殖状况：可持续发展运作”，联合国粮食及农业组织，2020年。
3 “世界渔业和水产养殖状况：可持续发展运作”，联合国粮食及农业组织，2020年。
4 “什么是碳封存，这是如何运作的？”加州大学戴维斯分校，2019年9月。
5 Lauren Morello和Climate Wire，“海洋酸化威胁全球渔业”，《科学美国人》，2010年12月。
6 Michael Slezak，“大堡礁：一场赤裸裸的灾难”，《卫报》。
7 “2021年世界粮食安全与营养状况”，联合国粮食及农业组织，2022年。
8 “世界人口展望”，联合国，2017年。
9 “世界渔业和水产养殖状况：迈向蓝色转型”，联合国粮食及农业组织，2022年。
10 Asuna P. Gilfoyle和Wilow A. Baird，“海洋酸化水平上升对鱼类洄游的影响”，Gilfoyle Research。
