Use of 234Th:238U disequilibrium to estimate particulate organic carbon export in the upper ocean

Abstract

L’exportació de carboni fixat mitjançant la fotosíntesi pel fitoplàncton, des de la superfície dels oceans a les capes més profundes, és un component clau de la bomba biològica de carboni i, per extensió, del cicle global del carboni, ja que manté els nivells de CO2 atmosfèrics per sota d’on es trobarien en l’actualitat si aquest procés no es donés (Feely et al., 2001; Khatiwala et al., 2009; Parekh et al., 2006). El cicle de les partícules i la seva exportació són també essencials pels cicles biogeoquímics d’altres macronutrients i espècies químiques de vital importància per la biota marina, així com metalls i contaminants d’origen antropogènic. El parell de radiotraçadors 234Th:238U ha estat utilitzat de forma extensa en l’estudi de l’exportació de partícules i en la determinació de la força de la bomba biològica de carboni en els oceans (Coale and Bruland, 1985; Le Moigne et al., 2013b). Aquesta tesi avalua els fluxos d’exportació de carboni als oceans i l’eficiència del segrest de diòxid de carboni mitjançant processos biològics fent ús d’aquest parell de radiotraçadors naturals en diversos règims oceanogràfics i sota contrastades condicions biogeoquímiques. En primer lloc, la variabilitat de l’export a escala de conca oceànica va ser examinada a l’Atlàntic Nord- Occidental al llarg d’un transsecte latitudinal (de 64ºN a l’equador) amb alta resolució espacial, proveint dades addicionals en zones sub-mostrejades. Els resultats, que coincideixen amb estudis previs que varen tenir lloc al Nord Atlàntic, van ser comparats amb diferents models d’exportació derivats de satèl·lits. Aquests models tenen una forta dependència en les estimacions de temperatura superficial del mar i producció primària neta, però normalment no consideren paràmetres biològics que influencien l’exportació de carboni, com ara l’estructura de la xarxa tròfica, la intensitat de depredació, l’eficiència de reciclatge, l’activitat bacteriana o l’exportació de carboni orgànic dissolt (Maiti et al., 2013). Les diferències observades entre les estimacions d’exportació de carboni derivades dels models de satèl·lits o del mètode del 234Th posen de manifest la necessitat d’incloure aquest tipus de paràmetres biològics a escala regional, per la qual cosa són necessaris esforços continuats d’observació. La inclusió d’aquests paràmetres reduiria la incertesa de l’inventari de carboni global i milloraria el monitoratge del cicle del carboni des de plataformes basades en satèl·lits. En segon lloc, la zonació de les propietats de les aigües superficials derivades dels diferents fronts localitzats al llarg d’un transsecte a 10ºE, de 44ºS to 53º S, en el Corrent Circumpolar Antàrtic va ser avaluada en relació amb l’exportació de partícules. Els nostres resultats mostren com, malgrat el contrast en les xarxes tròfiques observades al nord i al sud del Front Polar Antàrtic (~49ºS), la magnitud dels fluxos d’exportació de carboni era similar al llarg del transsecte. Existien diferències, però, en examinar les eficiències de transferència: a la meitat nord de la secció, la qual estava dominada per nanofitoplàncton, presentava eficiències d’exportació altes i eficiències de transferència baixes en comparació a la meitat sud de la secció, dominada per microfitoplàncton. Així doncs, malgrat que els diferents règims de xarxa tròfica donaren lloc a exportacions de carboni similars, el conjunt de partícules que sedimentaven diferia en la seva composició entre el nord i el sud del Front Polar Antàrtic (agregats de partícules petites en el nord vs partícules grans de sedimentació ràpida al sud), donant lloc a dos escenaris diferents pel que fa a la quantitat de carboni exportat que arribà a les capes més profundes. Per últim, les estimes del flux de partícules i l’eficiència d’exportació van ser examinades a una conca semitancada (el Golf de California i les aigües adjacents del Pacífic Tropical Nord Oriental) amb una estacionalitat molt marcada que va acompanyada de canvis en la comunitat fitoplanctònica. Les estimes d’exportació es varen obtenir mitjançant el mètode del 234Th, juntament amb trampes de sediment. Les dades de fraccionament per mides i l’alta ressolució vertical obtingudes amb bombes in situ van permetre la comparació de l’atenuació amb la fondària de les ràtios C/234Th entre partícules petites (1-53 μm) i grans (>53 μm). El resultats indiquen que, sota el domini de pico- i nanoplàncton i amb la presència de diazotrofs, les partícules petites juguen un paper important en l’exportació de carboni i que aquest export, en la zona d’estudi en qüestió, pot ser més eficient que l’export resultant d’una comunitat planctònica dominada per diatomees.

The particulate export of photosynthetically fixed carbon from the surface ocean to the ocean interior by marine plankton is a key component of the biological carbon pump and, by extension, of the global carbon cycle as it helps to maintain atmospheric CO2 levels lower than would occur with out this process (Feely et al., 2001; Khatiwala et al., 2009; Parekh et al., 2006). Particle cycling and export are also essential for the biogeochemical cycles of other major nutrients and chemical species of vital importance for marine biota, as well as anthropogenic metals and pollutans. The radiotracer pair 234Th: 238U as been commonly and extensively used to study particle export and determine the strength of the biological carbon pump in the upper ocean (Coale and Bruland, 1985; Le Moigne et al., 2013b). This thesis evaluates oceanic carbon export fluxes and the efficiency of the biologically mediated uptake of atmospheric CO2 using this naturally occurring radiotracer pair in a variety of regimes under contrasting biogeochemical conditions. First, basin-scale export variability was examined in the North Western Atlantic Ocean along a latitudinal transect (from 64ºN to the equator) with high spatial resolution, providing additional data in under sampled areas. The results agreed with previous studies carried out in the North Atlantic and were also compared with different satellite-derived export models. These models have a strong dependence on sea surface temperature and net primary productivity estimates, but they usually do not consider biological parameters that influence carbon export, such as the trophic structure, the grazing intensity, the recycling efficiency, the bacterial activity and the dissolved organic carbon export (Maiti et al., 2013). The differences observed between the satellite-derived and the 234Th-derived carbon export estimates highlights the necessity to include such biological parameters at a regional scale, for which continued observing efforts are needed. This would thereby reduce uncertainty in the global carbon budget and improve carbon cycle monitoring from satellite-based platforms. Second, the zonation of surface properties derived from the various fronts crossed along a 10ºE transect, from 44ºS to 53ºS, in the Antarctic Circumpolar Current were evaluated in relation to particle export. Our results show that, despite the contrasting food webs encountered north and south of the Antarctic Polar Front (~49ºS), the magnitude of the carbon export fluxes were similar along the transect. However, differences appeared when examining transfer efficiencies: in the northern section, which was dominated by nanophytoplankton, presented high export efficiencies and reduced transfer efficiencies in comparison to the southern section, dominated by microphytoplankton. Thus, and although different food web regimes led to similar export of carbon, the sinking particle pools differed in their composition north and south of the Antarctic Polar Front (aggregates of small particles in the north vs fast-sinking large particles in the south), resulting in two different scenarios regarding the amount of exported carbon that reached greater depths. Finally, estimates of particle flux and export efficiency were examined in a semi-enclosed basin (Gulf of California and the surrounding waters of the Eastern Tropical North Pacific), with a strong seasonality that leads to changes in the planktonic community. Export estimates were assessed using the 234Th approach in combination with surface-tethered sediment traps. Data on size fractionation and high vertical resolution of in situ pump deployments allowed a comparison of the C/234Th ratios attenuation with depth between small (1-53 μm) and large (>53 μm) particles. Results indicate that, under dominance of pico- and nanoplankton and with presence of diazotrophs, small particles play and important role in carbon export and that this export might be more efficient than that resulting from a diatom dominated planktonic community in the study area.