{"id":120,"date":"2022-03-29T14:56:00","date_gmt":"2022-03-29T13:56:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/geotraces\/?p=120"},"modified":"2022-04-07T14:56:34","modified_gmt":"2022-04-07T13:56:34","slug":"observations-of-surface-ocean-ph-and-pco2-and-micro-nutrient-control-of-ocean-productivity-in-the-south-pacific-ocean","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/geotraces\/2022\/03\/29\/observations-of-surface-ocean-ph-and-pco2-and-micro-nutrient-control-of-ocean-productivity-in-the-south-pacific-ocean\/","title":{"rendered":"Observations of surface ocean pH and pCO2, and (micro-)nutrient control of ocean productivity in the South Pacific Ocean"},"content":{"rendered":"\n

[deutsche Version unten]<\/em><\/p>\n\n\n\n

5th Weekly Report SO289<\/p>\n\n\n\n

Progress:<\/em><\/strong> We have had a successful last few days, following our unplanned detour to Tahiti. We commenced sampling again on Wednesday morning (March 23) just outside the EEZ of French Polynesia and have been able to conduct daily station occupations with CTD casts and in situ pump deployments. In order to optimise ship-time whilst sailing towards Noumea, we have chosen to steam more northerly along a 26\u00b010 S latitude cruise track (instead of 32\u00b030S). This transect allows us to use the shortest transect to New Caledonia and also to avoid entering the EEZ of New Zealand as their responses to our communications for sampling permissions are not answered. The weather has been variable with winds up to force 6-7 Beaufort, and even 10 Beaufort whilst crossing a front, but this has not prevented us to work \"Textfeld:at the stations. We are currently heading for the Kermadec Trough and its associated hydrothermal systems.<\/p>\n\n\n\n

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Figure 2: Station plan for SO289. We are currently approaching station 37. Map by Chris Galley.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Surface ocean pH and pCO2 observations: The South Pacific Ocean is dominated by a large ultra-oligotrophic gyre. Large regions of the subtropical waters of the South Pacific Ocean are considered a net CO2 sink, operating primarily through the solubility pump, but only few data are available to confirm this. The anthropogenic carbon in the South Pacific Ocean occurs predominantly in surface and intermediate waters of the equatorward flowing Antarctic Intermediate Water (AAIW). The eastern boundary region is characterized by upwelling of CO2 rich subsurface waters.
We collect samples in the water column from surface to the seafloor for land-based analysis of dissolved inorganic carbon and total alkalinity; these measurements will be conducted by Louise Delaigue at Netherlands Institute for Sea Research. Louise is also conducting automated surface ocean pH measurements using an optode electrode system. In addition, GEOMAR\/Xiamen PhD student Li Qiu, is conducting continuous surface ocean measurements of pCO2 and pH. The underway measurements are conducted in the ship\u2019s underway supply, which is taking water from a depth of 6.5 m. The pCO2 measurements are conducted every minute, and the sensor is based on infra red detection of CO2 after membrane equilibration (Contros HydroC sensor). The pH sensor measures total pH, using a spectrophotometric technique with meta cresol purple as pH dye. The instrument (Sunburst SAMI pH) conducts a measurement every 15 min along the transect.<\/p>\n\n\n\n

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Figure 3: Surface ocean pCO2<\/sub> trend along our cruise transect. Figure by Li Qiu. \u00a0<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

The pCO2 data (Fig. 3) indicates values below current atmospheric pCO2 (ca. 419 ppm) in the vicinity of the Chilean coast as a result of enhanced primary productivity in the nutrient enriched upwelling region (see Fig. 5). The enhanced phytoplankton growth in these waters take up CO2 and thereby remove the high CO2 levels in the upwelling waters and turning the coastal waters into a CO2 sink. Along our transect away from the Chilean coast, pCO2 gradually declined whilst the waters became less productive due to reduced nutrient supply. Consequently, the waters became a CO2 source with pCO2 reaching over 450 \u03bcatm in the subtropical gyre. We are now gradually moving out of the ultra-oligotrophic waters towards New Zealand and the productivity appears to be increasing and pCO2 decreasing to atmospheric pCO2 levels and below.<\/p>\n\n\n\n

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Figure 4: Surface ocean pH trend along our cruise transect. Figure by Li Qiu.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Controls on surface ocean productivity: The study region is almost completely uninvestigated with regards to nutrient limitation; for example the basic experimental data is lacking to demonstrate limitation by nitrogen (N), phosphorus (P), iron (Fe), or other essential micronutrients. Some first-order predictions can be made from available distributions of nitrate and phosphate from the World Ocean Atlas. Calculation of the relative biological excess of P over N (P=[P]\u2013[N]\/16) reveals generally positive values throughout the cruise transect, suggesting P is probably significantly \u2018less limiting\u2019 than N; however P<\/em> values declining to <0.05 \u03bcM are evident in the central part of the transect\u2014 concentrations that have found to be serially limiting (i.e., approaching co-limiting) levels in the tropical North Atlantic. The eastern part of the transect passes through regions with >0.1 \u03bcM nitrate, and the presence of residual N is suggestive of (co-)limitation by another nutrient, and given the excess P, strongly indicates insufficient Fe. The low levels of N, P and Fe are the result of low supplies from subsurface and atmospheric sources.<\/p>\n\n\n\n

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Figure 5.<\/strong> Satellite observation for recent days of surface ocean chlorophyll concentrations with stations and cruise track superimposed. The image shows the ultra low chlorophyll concentrations in the centre of the subtropical gyre. NASA MODIS Image obtained by Tom Browning.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Our team led by Tom Browning, and including Zhongwei Yuan, Haoran Liu, Julaine Tammen and also Zouzhou Wen, are investigating the (micro-)nutrient controls on phytoplankton productivity. The team collects surface ocean waters and incubates the waters for a period of 48 h on deck under controlled light and temperature conditions, following the addition of N, P, Fe and combinations thereof. Various variables, including chlorophyll a are measured following the incubation period. Figure 6 shows the results of an incubation experiment, indicating changes in chlorophyll-a biomass, a pigment found in all phytoplankton, in response to supply of N, Fe, or nitrogen and iron combined (N+Fe) after 48 hours. The experiment is conducted with surface water sample collected in centre of the subtropical gyre. The largest response is seen in response to N+Fe supply, suggesting both of these nutrients are approaching levels low enough to co-limit phytoplankton growth.<\/p>\n\n\n\n

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Figure 6.<\/strong> C<\/a>hanges in chlorophyll-a biomass, a pigment found in all phytoplankton, in response to supply of nitrogen (N), iron (Fe), or nitrogen and iron combined (N+Fe) after 48 hours. Experiment is conducted with surface water sample collected in centre of the subtropical gyre. The largest response is seen in response to N+Fe supply, suggesting both of these nutrients are approaching levels low enough to co-limit phytoplankton growth.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

RV Sonne at sea 26\u00b010 S\/167\u00b05W<\/p>\n\n\n\n

Eric Achterberg
GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel\/University of Kiel<\/p>\n\n\n\n

Beobachtungen des pH-Werts und des pCO2<\/sub>-Werts des Oberfl\u00e4chenozeans sowie der (Mikro-)N\u00e4hrstoffkontrolle der Ozeanproduktivit\u00e4t im S\u00fcdpazifik<\/strong><\/p>\n\n\n\n

5. Wochenbericht SO289<\/p>\n\n\n\n

Fortschritte: <\/em><\/strong>Nach unserem ungeplanten Fahrt nach Tahiti haben wir die letzten Tage erfolgreich hinter uns gebracht. Wir haben am Mittwochmorgen (23. M\u00e4rz) kurz vor der EEZ von Franz\u00f6sisch-Polynesien wieder mit der Beprobung begonnen und konnten t\u00e4gliche Stationsbesetzungen mit CTD-Eins\u00e4tzen und In-situ-Pumpeins\u00e4tzen durchf\u00fchren. Um die Schiffszeit auf dem Weg nach Noumea zu optimieren, haben wir uns f\u00fcr einen n\u00f6rdlicheren Kurs auf 26\u00b010 S Breite entschieden (statt 32\u00b030S). Auf diese Weise k\u00f6nnen wir den k\u00fcrzesten Transekt nach Neukaledonien nutzen und vermeiden au\u00dferdem die Einfahrt in die EEZ Neuseelands, da wir dort keine Antwort auf unsere Anfragen f\u00fcr Probenahmegenehmigungen erhalten. Das Wetter war wechselhaft mit Windst\u00e4rken bis zu 6-7 Beaufort und sogar 10 Beaufort beim \u00dcberqueren einer Front, was uns aber nicht daran hinderte, an den Stationen zu arbeiten. Wir sind derzeit auf dem Weg zum Kermadec-Tief und den damit verbundenen hydrothermalen Systemen.<\/p>\n\n\n\n

pH- und pCO2-Beobachtungen an der Meeresoberfl\u00e4che<\/em><\/strong>: Der S\u00fcdpazifik wird von einem gro\u00dfen ultra-oligotrophen Wirbel beherrscht. Gro\u00dfe Teile der subtropischen Gew\u00e4sser des S\u00fcdpazifiks gelten als Netto-CO2-Senke, die in erster Linie durch die L\u00f6slichkeitspumpe funktioniert, aber es gibt nur wenige Daten, die dies best\u00e4tigen. Der anthropogene Kohlenstoff im S\u00fcdpazifik kommt \u00fcberwiegend im Oberfl\u00e4chen- und Intermediate wasser des \u00e4quatorw\u00e4rts flie\u00dfenden Antarktischen Intermediate wassers (AAIW) vor. Die \u00f6stliche Grenzregion ist durch den Auftrieb von CO2-reichem Tiefenwasser gekennzeichnet.<\/p>\n\n\n\n

Wir sammeln Proben in der Wassers\u00e4ule von der Oberfl\u00e4che bis zum Meeresboden, um an Land den gel\u00f6sten anorganischen Kohlenstoff und die Alkalit\u00e4t zu analysieren; diese Messungen werden von Louise Delaigue vom Netherlands Institute for Sea Research durchgef\u00fchrt. Louise Delaigue f\u00fchrt auch automatische pH-Messungen an der Meeresoberfl\u00e4che mit einem Optoden-Elektrodensystem durch. Dar\u00fcber hinaus f\u00fchrt der GEOMAR\/Xiamen-Doktorand Li Qiu kontinuierliche Messungen von pCO2 und pH an der Meeresoberfl\u00e4che durch. Die Messungen werden in der Wasser-Versorgung des Schiffes durchgef\u00fchrt, das Wasser aus einer Tiefe von 6,5 m entnimmt. Die pCO2-Messungen werden jede Minute durchgef\u00fchrt, und der Sensor basiert auf der Infrarot-Detektion von CO2 nach der Membran-Equilibrierung (Contros HydroC Sensor). Der pH-Sensor misst den Gesamt-pH-Wert mit einem spektrophotometrischen Verfahren mit Meta-Kresolpurpur als pH-Farbstoff. Das Ger\u00e4t (Sunburst SAMI pH) f\u00fchrt alle 15 Minuten eine Messung entlang des Transekts durch.<\/p>\n\n\n\n

Die pCO2-Daten (Abb. 3) zeigen Werte unterhalb des derzeitigen atmosph\u00e4rischen pCO2 (ca. 419 ppm) in der N\u00e4he der chilenischen K\u00fcste als Ergebnis einer erh\u00f6hten Prim\u00e4rproduktivit\u00e4t in der n\u00e4hrstoffreichen Auftriebsregion (siehe Abb. 5). Das verst\u00e4rkte Phytoplanktonwachstum in diesen Gew\u00e4ssern nimmt CO2 auf und beseitigt so den hohen CO2-Gehalt in den Auftriebsgew\u00e4ssern und macht die K\u00fcstengew\u00e4sser zu einer CO2-Senke. Entlang unseres Transekts weg von der chilenischen K\u00fcste nahm der pCO2-Wert allm\u00e4hlich ab, w\u00e4hrend die Gew\u00e4sser aufgrund der geringeren N\u00e4hrstoffzufuhr weniger produktiv wurden. Infolgedessen wurden die Gew\u00e4sser zu einer CO2-Quelle mit einem pCO2-Wert von \u00fcber 450 \u03bcatm im subtropischen Wirbel. Jetzt bewegen wir uns allm\u00e4hlich aus den ultra-oligotrophen Gew\u00e4ssern in Richtung Neuseeland heraus, und die Produktivit\u00e4t scheint zuzunehmen und der pCO2 auf atmosph\u00e4rische pCO2-Werte und darunter zu sinken.<\/p>\n\n\n\n

Der beobachtete pH-Trend spiegelt den pCO2-Trend wider. (Abb. 4) Der pH-Wert ist in Richtung der chilenischen K\u00fcste am h\u00f6chsten (pH 8,04-8,06) und sinkt im Zentrum des subtropischen Wirbels auf 8,0 und darunter. Nun bewegen wir uns auf etwas produktivere Gew\u00e4sser zu, und der pH-Wert steigt aufgrund der CO2-Aufnahme durch das Phytoplankton und eines damit verbundenen Anstiegs des pH-Werts auf pH 8,03.<\/p>\n\n\n\n

Kontrollen auf die Produktivit\u00e4t der Ozeane an der Oberfl\u00e4che<\/em><\/strong>: Die Untersuchungsregion ist im Hinblick auf die N\u00e4hrstoffbegrenzung fast v\u00f6llig unerforscht; so fehlen beispielsweise die grundlegenden experimentellen Daten, um eine Begrenzung durch Stickstoff (N), Phosphor (P), Eisen (Fe) oder andere wichtige Mikron\u00e4hrstoffe nachzuweisen. Einige Vorhersagen erster Ordnung k\u00f6nnen anhand der verf\u00fcgbaren Verteilungen von Nitrat und Phosphat aus dem World Ocean Atlas gemacht werden. Die Berechnung des relativen biologischen \u00dcberschusses von P gegen\u00fcber N (P*=[P]-[N]\/16) zeigt allgemein positive Werte auf dem gesamten Transekt, was darauf hindeutet, dass P wahrscheinlich deutlich “weniger limitierend” ist als N; im zentralen Teil des Transekts sind jedoch P*-Werte zu beobachten, die auf <0,05 \u03bcM abfallen – Konzentrationen, die sich im tropischen Nordatlantik als seriell limitierend (d. h. ann\u00e4hernd ko-limitierend) erwiesen haben. Der \u00f6stliche Teil des Transekts verl\u00e4uft durch Regionen mit >0,1 \u03bcM Nitrat, und das Vorhandensein von Rest-N deutet auf eine (Co-)Limitierung durch einen anderen N\u00e4hrstoff hin, und angesichts des P-\u00dcberschusses deutet dies stark auf einen Fe-Mangel hin. Die niedrigen N-, P- und Fe-Werte sind das Ergebnis einer geringen Zufuhr aus unterirdischen und atmosph\u00e4rischen Quellen.<\/p>\n\n\n\n

Unser Team unter der Leitung von Tom Browning, zu dem auch Zhongwei Yuan, Haoran Liu, Julaine Tammen und Zouzhou Wen geh\u00f6ren, untersucht die (Mikro-)N\u00e4hrstoffkontrollen auf die Produktivit\u00e4t des Phytoplanktons. Das Team sammelt Oberfl\u00e4chenwasser und inkubiert das Wasser 48 Stunden lang an Deck unter kontrollierten Licht- und Temperaturbedingungen, nachdem es N, P, Fe und Kombinationen davon zugegeben hat. <\/p>\n\n\n\n

Nach der Inkubationszeit werden verschiedene Variablen, darunter Chlorophyll a, gemessen. Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse eines Inkubationsexperiments, das die Ver\u00e4nderungen in der Chlorophyll-a-Biomasse, einem Pigment, das in allen Phytoplanktonarten vorkommt, als Reaktion auf die Zufuhr von N, Fe oder einer Kombination aus Stickstoff und Eisen (N+Fe) nach 48 Stunden anzeigt. Das Experiment wird mit Oberfl\u00e4chenwasserproben durchgef\u00fchrt, die im Zentrum des subtropischen Wirbels gesammelt wurden. Die st\u00e4rkste Reaktion ist bei der Zufuhr von N+Fe zu beobachten, was darauf hindeutet, dass sich diese beiden N\u00e4hrstoffe einem Niveau n\u00e4hern, das niedrig genug ist, um das Wachstum des Phytoplanktons zu begrenzen.<\/p>\n\n\n\n

RV Sonne auf See 26\u00b010 S\/167\u00b05W<\/p>\n\n\n\n

Eric Achterberg<\/p>\n\n\n\n

GEOMAR Helmholtz-Zentrum f\u00fcr Ozeanforschung Kiel\/Universit\u00e4t Kiel<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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