{"id":26,"date":"2022-03-07T11:30:49","date_gmt":"2022-03-07T11:30:49","guid":{"rendered":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/geotraces\/?p=26"},"modified":"2022-03-07T11:50:02","modified_gmt":"2022-03-07T11:50:02","slug":"towards-the-east-pacific-rise-and-assessing-the-efficiency-of-the-biological-carbon-pump","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.oceanblogs.org\/geotraces\/2022\/03\/07\/towards-the-east-pacific-rise-and-assessing-the-efficiency-of-the-biological-carbon-pump\/","title":{"rendered":"Towards the East Pacific Rise and assessing the efficiency of the biological carbon pump"},"content":{"rendered":"\n

2nd Weekly Report from the SONNE expedition SO289<\/strong><\/p>\n\n\n\n

(deutsche Version weiter unten)<\/em><\/p>\n\n\n\n

Progress:<\/em> <\/p>\n\n\n\n

After a delay of nearly five days, we were able to leave the port of Talcahuano on February 22 and start the cruise SO289. We are now in international waters and will keep sailing west towards New Zealand and New Caledonia. We are twelve days into the cruise, and are sampling at station 17. The weather is very kind to us with very low winds and pleasant temperatures. Since three days, all the Corona restrictions have been lifted on board and we can go about our daily activities without restrictions.<\/p>\n\n\n\n

We have established a very efficient routine of equipment deployment and sampling. The team on board the Sonne is very organised and effective.  Each day we sample in detail the water column from the surface ocean to the seafloor, and collect waters and particles. We use a titanium CTD rosette frame for contamination prone elements, and also for sampling of microbial communities. The stainless steel CTD frame is used for non-contamination prone sampling of elements and isotopes like radium, thorium, uranium, rare earths and neodymium. At two or three degrees spacing, we occupy a station at which we spend about six hours with the deployments of the titanium and stainless steel CTDs. Every three days, at our “superstations”, we also add an additional stainless steel CTD cast, and deploy up to eleven in situ pumps to a depth of 1100 metres for particle collection. At the “superstations” we spend up to twelve hours. Thorsten Schott, Dennis K\u00f6hler and Florian Evers are working hard every day in deploying the CTDs and in situ pumps. <\/p>\n\n\n\n

East Pacific Rise:<\/em> <\/p>\n\n\n\n

The South Pacific hosts large underwater volcanoes with hydrothermal vents, which emit hot fluids into the deep ocean at about 2500 metres water depth along the East Pacific Rise (EPR). The East Pacific Rise is a fast spreading ridge system and there are reports of plumes travelling up to 4000 km from the vent sites. The hydrothermal plumes contain high concentrations of iron and other elements that are required by phytoplankton in the surface ocean for their growth. The plumes of iron in the South Pacific deep waters are thought to be transported southwards and to reach the surface waters in the Southern Ocean, which is the largest region in the world\u2019s ocean with phytoplankton growth limitation by iron. In the coming days we will assess the hydrothermal iron inputs and use tracers of helium isotopes and radium to assess hydrothermal plume fluxes and movements. We will employ biogeochemical modelling approaches after the cruise to determine their impact of plume derived iron on the phytoplankton productivity in the Southern Ocean.<\/p>\n\n\n\n

We are now making a small detour north towards 31.5\u00b0S to have the highest chance of successfully sampling the hydrothermal plume systems of the East Pacific Rise. In case we would have remained on the 32.5\u00b0S latitude transect, then we would have crossed the Juan Fernandez microplate, with a lower chance of encountering hydrothermal plumes. We will now occupy a “superstation” in two days time at 31.5\u00b0S and 111.9\u00b0W, where we will sample in detail the characteristics of the non-buoyant plume system over the East Pacific Rise.<\/p>\n\n\n\n

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Sampling of particulate organic matter using in-situ pumps positioned at different depths. \/ Probenahme von partikelf\u00f6rmigen organischen Stoffen mit in-situ-Pumpen, die in verschiedenen Tiefen positioniert sind. Photo: Stephan Hamisch<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Biological Carbon Pump: <\/em><\/p>\n\n\n\n

The South Pacific Ocean is one of the most remote and least explored ocean regions of our planet. It also has the largest ocean area of ultra-low productivity, resulting in crystal clear blue waters with very few phytoplankton cells. The low productivity is thought to be caused by a low supply of nutrients like nitrate, and also of trace elements like iron and cobalt, which are all required for phytoplankton growth. The low productivity will likely result in a low uptake of atmospheric CO2<\/sub> by phytoplankton in this part of the world\u2019s ocean.<\/p>\n\n\n\n

We are assessing the transfer of carbon (and trace elements) to the deep ocean, using the 234<\/sup>Th (Thorium) disequilibrium technique. The debris of dead phytoplankton cells sinks from the surface ocean to greater depth. Typically, ocean regions with a high primary productivity will have a higher sinking flux of organic matter. The very low productivity in the South Pacific Ocean is expected to result in a low transfer of particles to the deep ocean, and therefore the uptake of atmospheric CO2<\/sub> by biological processes is low. The overall process of atmospheric CO2<\/sub> uptake by phytoplankton, and the transfer of this carbon to depth is called the biological carbon pump. We are assessing the efficiency of the biological carbon pump through the removal in the upper ocean of the 234<\/sup>Th (thorium) isotope by adsorption onto sinking particles; 234<\/sup>Th is produced in the ocean from 238<\/sup>U (uranium) decay.<\/p>\n\n\n\n

In our ocean, 238<\/sup>U is homogeneously distributed, and a naturally abundant isotope. Uranium does not interact with particles and is long-lived with a half-life of several million years, decaying to 234<\/sup>Th. 234<\/sup>Th is much less stable with a half-life of only 24.1 days and is highly particle reactive. This means, in contrast to 238<\/sup>U, 234<\/sup>Th readily adsorbs onto surfaces of particles and is removed by the sinking particles to the deep ocean.<\/p>\n\n\n\n

We make use of a very simple physical rule: the activity (nuclear decays per minute) of the parent radionuclide (238<\/sup>U) and that of the daughter nuclide (decay product 234<\/sup>Th) is the same if both nuclides are still present within the system observed. In case we observe that the activity of 234<\/sup>Th in the surface ocean is lower than that of 238<\/sup>U, we know that some 234<\/sup>Th has been transported from the surface waters. And that happens exclusively through sinking particles. We therefore determine how much 234<\/sup>Th is transported to depth in association with sinking organic particles, and we can calculate our organic particle flux from the depletion 234<\/sup>Th activity over depths up to 400 m. We use in situ pumps to collect particles for 234<\/sup>Th and particulate carbon analysis, and in addition we sample waters for dissolved 234<\/sup>Th analysis (and also 238<\/sup>U). The sampling and counting of the 234<\/sup>Th isotopes takes place at sea by our student helper Stephan Hamisch, and we will count the samples again once we are back at GEOMAR.<\/p>\n\n\n\n

RV Sonne at sea 31.5\u00b0S\/103.0\u00b0W<\/p>\n\n\n\n

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

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

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Station plan SO289 \/ Stationsplan SO289<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Auf dem Weg zum ostpazifischen R\u00fccken und zur Bewertung der Effizienz der biologischen Kohlenstoffpumpe<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Zweiter Wochenbericht der SONNE-Expedition SO289<\/strong>
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Fortschritte: <\/em><\/p>\n\n\n\n

Nach einer Versp\u00e4tung von fast f\u00fcnf Tagen konnten wir am 22. Februar den Hafen von Talcahuano verlassen und die Reise SO289 beginnen. Wir befinden uns nun in internationalen Gew\u00e4ssern und werden weiter nach Westen in Richtung Neuseeland und Neukaledonien fahren. Nach zw\u00f6lf Tagen Fahrt sind wir an der Station 17 angelangt. Das Wetter ist uns sehr wohlgesonnen mit sehr wenig Wind und angenehmen Temperaturen. Seit drei Tagen sind alle Corona-Beschr\u00e4nkungen an Bord aufgehoben, und wir k\u00f6nnen unseren t\u00e4glichen Aktivit\u00e4ten ohne Einschr\u00e4nkungen nachgehen.<\/p>\n\n\n\n

Wir haben eine sehr effiziente Routine f\u00fcr den Einsatz der Ausr\u00fcstung und die Probenahme eingef\u00fchrt. Das Team an Bord der Sonne ist sehr gut organisiert und effizient. Jeden Tag beproben wir detailliert die Wassers\u00e4ule von der Oberfl\u00e4che bis zum Meeresboden und sammeln Wasser und Partikel. Wir verwenden einen CTD-Rosettenrahmen aus Titan f\u00fcr kontaminationsanf\u00e4llige Elemente und auch f\u00fcr die Beprobung mikrobieller Gemeinschaften. Der CTD-Rahmen aus Edelstahl wird f\u00fcr nicht-kontaminationsanf\u00e4llige Probenahmen von Elementen und Isotopen wie Radium, Thorium, Uran, seltene Erden und Neodym verwendet. Im Abstand von zwei oder drei Grad haben eine Station eingerichtet, an der wir etwa sechs Stunden mit den Eins\u00e4tzen der Titan- und Edelstahl-CTDs verbringen. Alle drei Tage setzen wir an unseren “Superstationen” eine zus\u00e4tzliche Edelstahl-CTD ein und bringen bis zu elf In-situ-Pumpen bis zu einer Tiefe von 1100 Metern zur Partikelsammlung aus. An den “Superstationen” verbringen wir bis zu zw\u00f6lf Stunden. Thorsten Schott, Dennis K\u00f6hler und Florian Evers arbeiten jeden Tag hart daran, die CTDs und In-situ-Pumpen auszubringen.<\/p>\n\n\n\n

Ostpazifischer R\u00fccken: <\/em><\/p>\n\n\n\n

Der S\u00fcdpazifik beherbergt gro\u00dfe Unterwasservulkane mit hydrothermalen Schloten, die entlang des Ostpazifischen R\u00fcckens in etwa 2500 Metern Wassertiefe hei\u00dfe Fl\u00fcssigkeiten in die Tiefsee aussto\u00dfen. Der Ostpazifische R\u00fccken ist ein sich schnell ausbreitendes R\u00fcckensystem, und es gibt Berichte \u00fcber Ausstr\u00f6mungen, die bis zu 4000 Kilometer von den Schloten entfernt sind. Die hydrothermalen Str\u00f6me enthalten hohe Konzentrationen von Eisen und anderen Elementen, die das Phytoplankton im Oberfl\u00e4chenozean f\u00fcr sein Wachstum ben\u00f6tigt. Man geht davon aus, dass die Eisenfahnen in den Tiefen des S\u00fcdpazifiks nach S\u00fcden transportiert werden und die Oberfl\u00e4chengew\u00e4sser im S\u00fcdlichen Ozean erreichen, der gr\u00f6\u00dften Region des Weltozeans, in der das Phytoplanktonwachstum durch Eisen begrenzt wird. In den kommenden Tagen werden wir die hydrothermalen Eiseneintr\u00e4ge untersuchen und Tracer von Heliumisotopen und Radium verwenden, um die Fl\u00fcsse und Bewegungen der hydrothermalen Fahnen zu beurteilen. Nach der Fahrt werden wir biogeochemische Modellierungsans\u00e4tze anwenden, um die Auswirkungen des Eiseneintrags aus den Plumes auf die Produktivit\u00e4t des Phytoplanktons im S\u00fcdlichen Ozean zu bestimmen.<\/p>\n\n\n\n

Wir machen jetzt einen kleinen Abstecher nach Norden in Richtung 31,5\u00b0S, um die besten Chancen zu haben, die hydrothermalen Fahnensysteme des Ostpazifik-Anstiegs erfolgreich zu beproben. W\u00e4ren wir auf dem 32,5\u00b0S Breitengrad-Transekt geblieben, h\u00e4tten wir die Juan Fernandez Mikroplatte \u00fcberquert, mit einer geringeren Chance auf hydrothermale Plumes zu sto\u00dfen. Wir werden nun in zwei Tagen eine “Superstation” bei 31,5\u00b0S und 111,9\u00b0W besetzen, wo wir die Eigenschaften des nicht-schwimmenden Plumesystems \u00fcber dem ostpazifischen R\u00fccken im Detail untersuchen werden.<\/p>\n\n\n\n

Biologische Kohlenstoffpumpe: <\/em><\/p>\n\n\n\n

Der S\u00fcdpazifik ist eine der abgelegensten und am wenigsten erforschten Meeresregionen unseres Planeten. Hier befindet sich auch das gr\u00f6\u00dfte Meeresgebiet mit extrem niedriger Produktivit\u00e4t, was zu kristallklarem, blauem Wasser mit sehr wenigen Phytoplanktonzellen f\u00fchrt. Man nimmt an, dass die niedrige Produktivit\u00e4t auf eine geringe Versorgung mit N\u00e4hrstoffen wie Nitrat und Spurenelementen wie Eisen und Kobalt zur\u00fcckzuf\u00fchren ist, die f\u00fcr das Wachstum des Phytoplanktons erforderlich sind. Die geringe Produktivit\u00e4t wird wahrscheinlich zu einer geringen Aufnahme von atmosph\u00e4rischem CO2<\/sub> durch das Phytoplankton in diesem Teil des Weltozeans f\u00fchren.
Wir bewerten den Transfer von Kohlenstoff (und Spurenelementen) in die Tiefsee mit Hilfe der 234<\/sup>Th (Thorium) Ungleichgewichtstechnik. \u00dcberreste abgestorbener Phytoplanktonzellen sinken von der Meeresoberfl\u00e4che in gr\u00f6\u00dfere Tiefen ab. In der Regel haben Ozeanregionen mit hoher Prim\u00e4rproduktivit\u00e4t einen h\u00f6heren Fluss an organischen Stoffen, der in die Tiefe sinkt. Die sehr niedrige Produktivit\u00e4t des S\u00fcdpazifiks d\u00fcrfte zu einem geringen Transfer von Partikeln in die Tiefsee f\u00fchren, so dass die Aufnahme von atmosph\u00e4rischem CO2<\/sub> durch biologische Prozesse gering ist. Der Gesamtprozess der Aufnahme von atmosph\u00e4rischem CO2<\/sub> durch das Phytoplankton und die Weitergabe dieses Kohlenstoffs in die Tiefe wird als biologische Kohlenstoffpumpe bezeichnet. Wir bewerten die Effizienz der biologischen Kohlenstoffpumpe anhand der Entfernung des Isotops 234<\/sup>Th (Thorium) im oberen Ozean durch Adsorption an sinkende Partikel; 234<\/sup>Th entsteht im Ozean aus dem Zerfall von 238<\/sup>U (Uran).<\/p>\n\n\n\n

In allen unseren Ozeanen ist 238<\/sup>U gleichm\u00e4\u00dfig verteilt und ein nat\u00fcrlich reichlich vorhandenes Isotop. Uran geht keine Wechselwirkung mit Partikeln ein und ist mit einer Halbwertszeit von mehreren Millionen Jahren sehr langlebig, wobei es zu 234<\/sup>Th zerf\u00e4llt. 234<\/sup>Th ist mit einer Halbwertszeit von nur 24,1 Tagen weit weniger stabil und sehr partikelreaktiv. Das bedeutet, dass 234<\/sup>Th im Gegensatz zu 238<\/sup>U leicht an der Oberfl\u00e4che von Partikeln adsorbiert und von den sinkenden Partikeln in die Tiefsee transportiert wird.<\/p>\n\n\n\n

Wir machen uns eine sehr einfache physikalische Regel zunutze: Die Aktivit\u00e4t (Kernzerf\u00e4lle pro Minute) des Elternradionuklids (238<\/sup>U) und des Tochternuklids (Zerfallsprodukt 234<\/sup>Th) ist gleich, wenn beide Nuklide im beobachteten System noch vorhanden sind. Wenn wir beobachten, dass die Aktivit\u00e4t von 234Th im Oberfl\u00e4chenozean geringer ist als die von 238U, wissen wir, dass etwas 234<\/sup>Th aus dem Oberfl\u00e4chenwasser transportiert wurde. Und das geschieht ausschlie\u00dflich durch absinkende Partikel. Wir bestimmen daher, wie viel 234<\/sup>Th in Verbindung mit sinkenden organischen Partikeln in die Tiefe transportiert wird, und wir k\u00f6nnen unseren organischen Partikelfluss aus der Abreicherung der 234<\/sup>Th-Aktivit\u00e4t in Tiefen bis zu 400 Metern berechnen. Wir verwenden In-situ-Pumpen, um Partikel f\u00fcr die Analyse von 234<\/sup>Th und partikul\u00e4rem Kohlenstoff zu sammeln, und zus\u00e4tzlich nehmen wir Wasserproben f\u00fcr die Analyse von gel\u00f6stem 234<\/sup>Th (und auch 238<\/sup>U). Die Probenahme und Z\u00e4hlung der 234<\/sup>Th-Isotope erfolgt auf See durch unseren studentischen Helfer Stephan Hamisch, und wir werden die Proben erneut z\u00e4hlen, wenn wir wieder am GEOMAR sind.<\/p>\n\n\n\n

FS SONNE auf See 31.5\u00b0S\/103.0\u00b0W<\/p>\n\n\n\n

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

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