Carbon export from the upper water column of the polar oceans by using natural radionuclides

Abstract

Els oceans Àrtic i Austral representen el 20-35% de l’absorció oceànica global de diòxid de carboni (CO2) atmosfèric. Aquesta absorció és en part causada per la bomba biològica a través de la fixació de CO2 a la superfície de l’oceà i la transferència d’una fracció de la matèria orgànica a aigües profundes. Un dels majors reptes de la investigació polar és pronosticar els efectes del canvi climàtic sobre el funcionament de l’ecosistema marí i la captació de carboni a altes latituds. La poca informació existent sobre la dinàmica dels ecosistemes àrtic i antàrtic, la rapidesa dels efectes del canvi climàtic en els sistemes marins polars, a més de la seva rellevància en el cicle global del carboni han motivat aquesta tesi. L’objectiu d’aquest treball és contribuir al coneixement dels fluxos d’exportació de partícules i de carboni associats a la bomba biològica i dels processos que controlen aquests fluxos a la capa superficial de la columna d’aigua dels oceans polars. Els dos parells de radionúclids 234Th/238U i 210Po/210Pb s’han utilitzat en tres estudis en combinació amb altres tècniques que ofereixen informació complementària sobre paràmetres d’interès ecològic i exportació de partícules. En primer lloc, l’exportació de carboni orgànic particulat (COP) es va quantificar durant el declivi d’una floració massiva de diatomees al sector Atlàntic de l’oceà Austral a l’estiu de 2012. Els fluxos de COP mesurats a 100 m van ser elevats: 26 ± 15 mmol C m-2 d-1, de mitjana. Aquests resultats són comparables a altres estudis de floracions fitoplanctòniques en etapes tardanes a l’oceà Austral. Tot i així, l’eficiència d’exportació va ser generalment baixa: només <20% de la producció primària neta (PPN) diària va arribar als 100 m, presumiblement degut a un reciclatge actiu de carboni i nutrients a la superfície. Per contra, l’eficiència de transferència de COP mesurada entre 100 i 300 m va ser elevada (~60%), probablement com a conseqüència de l’enfonsament de diatomees. En segon lloc, els fluxos d’exportació de carboni al centre de l’Àrtic es van avaluar per primera vegada mitjançant l’aplicació conjunta dels parells 234Th/238U i 210Po/210Pb, coincidint amb el rècord mínim de gel marí del 2012. D’acord al parell 234Th/238U, els fluxos de COP a la base de la zona eufòtica van ser molt baixos (2 ± 2 mmol C m-2 d-1) durant l’agost i el setembre, quan algues de la classe de les prasinofícies haurien contribuït significativament als fluxos. Segons el parell 210Po/210Pb, els fluxos de partícules van ser majors abans del juliol/agost que a finals d’estiu, amb els màxims observats sota condicions extremes de gel associats a una exportació massiva d’agregats d’algues del gel formats per diatomees. Més del 30% de la PPN anual va ser exportada des de la zona eufòtica, indicant una elevada eficiència d’exportació de la bomba biològica al centre de l’Àrtic. Finalment, la dinàmica i l’exportació de partícules a la columna d’aigua de l’Àrtic es van estudiar mitjançant l’anàlisi de la distribució de 210Pb i 210Po a diverses plataformes continentals i conques oceàniques a l’estiu de 2007. Es van detectar dèficits de 210Po substancials (>50% respecte el 210Pb) des de la superfície als 200 m a les plataformes, però també sorprenentment a les conques. Els dèficits de 210Po van ser especialment pronunciats a la conca de Makarov, on la PPN anual va ser tres vegades superior que a la conca eurasiàtica i va estar dominada per diatomees. Aquesta observació, paral·lelament als resultats del 2012, indica que les diatomees podrien tenir un paper més important en la producció i exportació de carboni orgànic al centre de l’Àrtic del que ens pensàvem fins ara.

The Arctic and Southern Oceans account together for about 20 to 35% of the global oceanic uptake of carbon dioxide (CO2) from the atmosphere. This is partly caused by the biological pump, which transforms CO2 into organic matter in surface waters and pumps a fraction of it to the deep ocean. A major challenge to polar research is to predict how climate change will affect the marine ecosystem functioning and the carbon uptake at high latitudes. The limited baseline data on ecosystem dynamics in the Arctic and Southern Oceans, the rapid impacts of climate change on polar marine systems, together with their relevance within the global carbon cycle, have motivated this thesis. This work represents an attempt to contribute to the knowledge of the particle and carbon export fluxes driven by the biological pump and the processes that control these fluxes in the upper water column of the polar oceans. The two pairs of radionuclides 234Th/238U and 210Po/210Pb have been used in three studies in combination with other techniques that provide complementary information on ecologically relevant parameters and particle export. First, the export of particulate organic carbon (POC) was quantified during the decline of a vast diatom bloom in the Atlantic sector of the Southern Ocean in summer 2012. The POC fluxes at 100 m were high, averaging 26 ± 15 mmol C m-2 d-1, which are comparable to other studies of the later stages of blooms in the Southern Ocean. However, the export efficiency of the bloom was generally low: only <20% of the daily net primary production (NPP) reached 100 m, presumably due to an active recycling of carbon and nutrients in surface waters. In contrast, the transfer efficiency of POC measured between 100 and 300 m was high (~60%), likely as a consequence of the direct sinking of diatoms. Second, carbon export fluxes in the central Arctic were assessed for the first time by the joint application of the 234Th/238U and 210Po/210Pb pairs during the record sea-ice minimum in 2012. The 234Th/238U proxy revealed that POC fluxes at the base of the euphotic zone were very low (2 ± 2 mmol C m-2 d-1) during August and September, when prasinophytes would have contributed significantly to the fluxes. On the other hand, the 210Po/210Pb proxy indicated that particle fluxes were higher before July/August than in the late summer, with maximum fluxes under heavy sea-ice conditions associated with a massive export of sea-ice algal aggregates composed of diatoms. More than 30% of the annual NPP was exported from the euphotic zone, showing a high export efficiency of the biological pump in the central Arctic. Last, particle dynamics and particle export in the water column of the Arctic Ocean were studied by analysing the distribution of 210Pb and 210Po on a pan-Arctic scale in summer 2007. Substantial deficits of 210Po (>50% with respect to 210Pb) were detected from surface waters to 200 m on the shelves, but also, and more surprisingly, in the basins. The 210Po deficits were particularly pronounced in the Makarov Basin, where the annual NPP was higher than in the Eurasian Basin by a factor of 3 and was dominated by diatoms. This observation, together with the results from 2012, indicates that diatoms could have a more important role in production and export of organic carbon in the central Arctic than is currently thought.