Hunting for k

By Christa Marandino, Tim Steffens, Tobias Spreitz, David Ho

***deutsche Version siehe weiter unten***

How does the ocean influence climate? We know that heat is taken up by the ocean, but what about climate-active trace gases? Does the ocean emit them or take them up? How much is the ocean emitting or absorbing? Is air-sea exchange changing as the climate changes? These types of questions are on the minds of the scientists during the EMB295 research cruise. The research groups of David Ho (University of Hawaiʻi at Mānoa, USA) and Christa Marandino (GEOMAR, Germany) are trying to determine trace gas transfer between the ocean and atmosphere. They are using two different techniques to quantify the gas transfer velocity, k, used to compute the air-sea fluxes of a range of trace gases that are important for climate, such as carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O), methane (CH4), and dimethylsulfide (DMS).

The technique used by the Ho group involves injecting two inert gas tracers, sulfur hexafluoride (SF6) and the lighter isotope of helium (3He), into the surface ocean and measuring the change in their concentration over time. The technique is generally called the deliberate tracer technique, and it allows us to separate the effects of mixing/dispersion and gas exchange to determine the gas transfer velocity. In practice, our main task on the ship is to map the tracer every day, and try to be at the center of the tracer patch to sample it with our CTD/rosette twice a day, at 6 am and 6 pm. It sounds easy, but since we are constantly going in and out of the patch in a lawnmower pattern in order to map its boundaries, we are constantly losing the patch. It becomes a stressful exercise when we approach time for the sampling station. Our unofficial motto is: “it is difficult to schedule finding something you have lost”. The discrete SF6 samples are measured onboard the ship using a gas chromatograph equipped with an electron capture detector, whereas the 3He samples will be sent back to the laboratory on land and measured on a helium mass spectrometer. https://twitter.com/_david_ho_/status/1547122643194847235?s=24&t=VMGrXZONi0xJwHBmv-FIOg

The Marandino group performs eddy covariance measurements to determine k. This technique requires fast and precise measurements of the vertical wind at exactly the same time as fast and precise measurements of gas concentrations, which are mathematically covaried to compute the flux. On board (EMB295), CO2 and DMS are measured using this technique. Wind related measurements are performed on a mast built on to the front of the ship (Figure 2, left). Inlets for CO2 and DMS are located on the mast as well. The analytical instrumentation for the gas measurements are located downstream of the mast (e.g., in the lab). This separation of measurements, as well as a moving ship, make eddy covariance data analysis a bit challenging. On top of the normal challenges, the ship’s track during the tracer hunt can make for suboptimal wind conditions for the eddy covariance method. Therefore, it is important that the ship points into the wind during the two CTD stations. For the rest of the crazy cruise track, we take as many opportunities as possible to measure under favorable wind conditions.

In order to derive k, we need to measure the air-sea gas concentration difference in addition to the fluxes. We use a gas chromatograph-mass spectrometer (GC-MS) to measure DMS concentrations in seawater. The technique requires the use of liquid nitrogen, which has become tricky during the cruise – we are now on the way to Latvia to resupply. We rely on measurements of pCO2 in seawater from the IOW for deriving the CO2 k

Over the next week, the two groups hope to garner enough overlapping data points in the tracer patch to compare their respective ks. Will they compare well? Will they have the same dependence on wind speed? Will the Baltic Sea findings match those from the open ocean? And finally, how will the elusive sea surface microlayer impact all of the above? Let’s wait and see…until then, happy hunting!

Auf der Jagd nach k

Wie beeinflussen die Ozeane das Klima? Wir wissen, dass das Meer Wärme aufnimmt. Aber wie sieht es mit den Treibhausgasen aus? Emittiert sie das Meer oder nimmt es sie auf und in welcher Größenordnung? Entwickelt sich der Luft-Wasser Gasaustausch im gleichen Sinne wie der Klimawandel? Diese und weitere Fragen stellen sich den Wissenschaftlern an Bord des Forschungsschiffes Elisabeth Mann Borgese (Forschungsfahrt EMB295). Die Arbeitsgruppen von David Ho (University of Hawaiʻi at Mānoa, USA) und Christa Marandino (GEOMAR, Kiel, Germany) wollen mit Ihren Untersuchungen den Austausch von Treibhausgasen zwischen dem Ozean und der Atmosphäre bestimmen. Hierfür verwenden sie zwei unterschiedliche Techniken um den sog. Gas Transfer Koeffizienten, k zu bestimmen. Mit diesem Koeffizienten lässt sich der Fluss von Treibhausgasen wie CO2, N2O, CH4 und DMS (Dimethylsulfid) zwischen dem Ozean und der Atmosphäre berechnen.

Bei der von der Arbeitsgruppe Ho verwendeten Dual Tracer Methode werden zwei inerte Gase, Schwefelhexafluorid (SF6) und das leichtere Isotop des Heliums (3He) in das Oberflächenwasser gegeben und die Konzentrationsänderung mit der Zeit bestimmt. Diese Technik erlaubt die Trennung des Gasaustauschs von der Durchmischung, um die Gastransfergeschwindigkeit zu berechnen. Die örtliche Bestimmung des Tracers gehört dabei zu unseren täglichen Aufgaben, um zwei Mal täglich (6 und 18 Uhr) mit unserer CTD (Tiefenschöpfer) Meerwasserproben aus dem Zentrum der Tracerwolke zu entnehmen. Das hört sich einfach an, doch da wir durch unsere „rasenmäherförmige“ Fahrt mal außerhalb und mal innerhalb des Tracergebietes sind, um die Grenzen der Ausbreitung zu bestimmen, kommt es häufig dazu, dass wir die Spur des Tracers verlieren und wiederfinden müssen. Unser Motto ist deshalb: „Es ist schwierig zu planen, wann man etwas Verlorenes wiederfindet.“ Die diskreten Proben von SF6 werden an Bord mit einem Gaschromatographen (GC) bestimmt, welcher mit einem Elektronen-Einfang-Detektor (ECD) ausgestattet ist. Die Proben von 3He werden hingegen erst später an Land mit einem Helium-Massenspektrometer untersucht. https://twitter.com/_david_ho_/status/1547122643194847235?s=24&t=VMGrXZONi0xJwHBmv-FIOg

Die Arbeitsgruppe Marandino führt für die Bestimmung von k Eddy-Kovarianz Messungen durch. Diese Technik erfordert eine schnelle und präzise Messung des vertikalen Windes und der gleichzeitigen (ebenso schnellen und präzisen) Messung der Gaskonzentrationen, welche zur Bestimmung des Gasflusses mathematisch kovariiert werden. An Bord des Forschungsschiffes werden mit diesen Techniken die Gase CO2 und DMS untersucht. Windgestützte Messungen werden an einem eigenen Mast durchgeführt, welcher am Bug des Schiffes aufgestellt wurde und mit Inlets für CO2 und DMS ausgerüstet ist. Die analytischen Instrumente sind durch Schläuche und Kabel mit dem Mast verbunden, so dass die analytische Auswertung in einem Labor unter Deck stattfindet. Die Trennung der Messorte (Mast und Labor) und die Bewegung des Schiffes stellen uns vor schwierige Herausforderungen. Zusätzlich zu diesen Herausforderungen kommen noch ungünstige Windbedingungen (Windrichtung), gegeben durch die Verfolgung des Tracerpatches. Deshalb ist es vor allem bei den täglichen CTD Stationen von Vorteil, wenn das Schiff mit dem Mast in den Wind gerichtet ist. Für den Rest der Fahrt hoffen wir jedenfalls auf gute Winde.

Um den Transferkoeffizienten k zu bestimmen, müssen wir zusätzlich zu dem Gasfluss den Konzentrationsgradienten des Wasser-Luft Gasaustausches messen. Für die Bestimmung der Konzentration von DMS verwenden wir einen Gaschromatographen gekoppelt mit einem Massenspektrometer, bei dem die Gase aus dem Wasser mit flüssigem Stickstoff eingefangen und anschließend gemessen werden. Der Verlust von flüssigem Stickstoff wurde für uns im Verlauf der Fahrt zu einer Odyssee (wir sind gerade auf dem Weg nach Lettland, um Nachschub zu erhalten). Die Konzentrationen von CO2 bekommen wir durch die Meerwassermessungen des IOW (Institut für Ostseeforschung Warnemünde) um damit den k-Wert für CO2 zu bestimmen.

Innerhalb der nächsten Woche hofft das Team genügend verknüpfbare Daten des Tracers zu sammeln, um die zwei unterschiedlich bestimmten Werte für k vergleichen zu können. Werden sie wohl vergleichbar sein? Haben sie die gleiche Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit? Ähneln die Erkenntnisse von der Ostsee vielleicht denen von großen Ozeanen? Und zu guter Letzt: Wie beeinflusst die flüchtige Deckschicht (microlayer) des Meeres die genannten Faktoren? Wir werden es sehen…

… in diesem Sinne: Waidmannsheil 😊!

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *