Ocean Breath: Origin, Transport and Fate of Anthropogenic Carbon and Oxygen in the Ocean

Abstract

Menneskeskapte klimaendringer endrer måten atmosfæren og havet utveksler energi og egenskaper på ved å redusere havventilasjonen. Endringer i ventilasjonen antas å være en viktig tilbakekoblingsmekanisme i klimasystemet ved å redusere opptaket av antropogen karbon (Cant) eller ved å redusere oksygentilførselen til dyphavet, noe som vil påvirke biogeokjemiske prosesser i områder som allerede er utarmet for oksygen. I denne avhandlingen brukes en Total Matrix Intercomparison (TMI) observasjonsbasert transportmatrise for å vise hvordan havsirkulasjonen påvirker fordelingen av Cant og oksygen i havet. TMI-metoden blir brukt til å undersøke blandalagets opprinnelse samt transport av Cant og oksygen i havet. Resultatene presenteres i tre artikler, og fremhever betydningen av dypvannsdannelse på høye breddegrader med spesielt fokus på Norskehavet.

Artikkel I undersøker hvordan havet fylles opp med Cant, som er karbonet som ender opp i havet som et resultat av CO2-utslipp fra menneskelig aktivitet. Mens størrelsen på dette reservoaret er godt kjent fra forskjellige metoder, er fluksene gjennom blandalagsdypet som resulterer i et slikt reservoar dårligere forstått. Artikkelen beregner fluksene av Cant gjennom blandalaget ved hjelp av den globale versjonen av TMI-matrisen, kombinert med en tidligere publisert tidsserie av Cant i overflatehavet. Dermed er det mulig å spore Cant-innholdet i havet tilbake til blandalaget i regioner med konveksjon og/eller dypvannsdannelse. Resultatene viser at det meste av Cant som lagres under blandalaget blir injisert i subtropene og i Sørishavet, mens de største fluksene forekommer i subpolare strøk i Nord-Atlanteren. Artikkelen viser at bidragene fra noen få havregioner fyller mesteparten av havets Cant-reservoar.

Artikkel II undersøker opprinnelsen til oksygenminimumsonene (OMZ) i åpent hav som allerede er utarmet for oksygen, og som under nåværende deoksygenering av havet vil true marint liv og påvirke karbon- og nitrogen-syklusene. Artikkelen drar nytte av informasjonen som ligger implisitt i TMI for å bestemme opprinnelsen til OMZ i form av volum, oksygen som overlever remineralisering og oksygenerer OMZ, og oksygenbruk i dyphavet som bidrar til oksygenunderskuddet i OMZ. Resultatene viser at OMZ for det meste fylles av vann som stammer fra høye breddegrader over lange tidsskalaer, men disse vannmassene bidrar lite til oksygenering av OMZ da det meste av oksygenet er brukt opp ved ankomst. I stedet blir oksygen hovedsakelig levert av tropiske, subtropiske, og intermediære vannmasser som stammer fra tilstøtende regioner. Artikkelen viser også hvor oksygenet brukes på veien fra områder med vannmassetransformasjon til OMZ. Vi refererer til dette som "remineraliseringsbaner". Disse banene viser at mindre enn en tredjedel av oksygenunderskuddet har opprinnelse innenfor OMZene. Artikkelen antyder at OMZ i en stabil tilstand i hovedsak blir satt av havsirkulasjonen som bringer dypt og gammelt vann med relativt lavt oksygen fra høye breddegrader inn i OMZ.\\

Artikkel III undersøker ventilasjonstidsrammene i De nordiske hav, som er en nøkkelregion for havsirkulasjon og klima. Artikkelen assimilerer gjennomsnittsalderen til vannmassene - utledet fra observasjoner av CFC-12 - inn i en eksisterende regional versjon av TMI for De nordiske hav som har mye høyere romlig oppløsning enn den globale versjonen. Resultatene viser at øvre og intermediære deler av De nordiske hav ventileres på svært korte tidsskalaer, der halvparten av vannmassene i blandalaget strømmer ut av regionen etter 5 år. De dypere delene av De nordiske hav er derimot isolert fra vannmassene i blandalaget, noe som indikerer at de dype vannmassene i regionen ventileres langt unna. Artikkelen er et eksempel på en ny metode for å undersøke ventilasjonen i De nordiske hav på. Metoden vil også kunne brukes til å bestemme opptak og fordeling av varme, karbon, og oksygen i regionen.\\

Samlet fremhever de tre artikklene den globale forbindelsen i verdenshavene gjennom transport av vannmasser på forskjellige romlige og tidsmessige skalaer. De viser betydningen av havsirkulasjon, og spesielt områder hvor dypvann dannes, for opptak og fordeling av Cant og oksygen. I tillegg tas det et skritt videre i bruken av regionale data-baserte transportmatriser for å gi en mer detaljert representasjon av lokale og regionale prosesser som utøver en global påvirkning på klimaet.

Ongoing climate change is changing the way that the atmosphere and the ocean exchange energy and properties by reducing ocean ventilation. Changes in ventilation are expected to have important feedbacks in the climate system by reducing the uptake of anthropogenic carbon (Cant) and by decreasing the oxygen supply to the interior ocean, which will impact important biogeochemical processes in regions already depleted of oxygen. In this dissertation, the Total Matrix Intercomparison (TMI) observation-based transport matrix is used to show how ocean circulation shapes the interior distribution of Cant and oxygen. Specifically, the TMI is used to investigate the mixed layer origin, transport along pathways, and fate of Cant and oxygen in the ocean. The results presented highlight the importance of high latitude mode and deep waters, with a special focus on the Nordic Seas, and are distributed in three papers.

Paper I investigates how the ocean is filled with Cant, which is the carbon that has been added to the ocean as a result of human activities. While the size of this reservoir is well constrained by different methods, the fluxes across the mixed layer that result in such a reservoir are not, despite being the bottleneck for the uptake. The paper estimates the fluxes of Cant across the mixed layer using the global version of the TMI transport matrix. Here, the TMI is combined with an already published time-evolving boundary condition of Cant to reproduce and trace back the current inventory to the region of subduction in the mixed layer. The results show that most of the Cant stored below the mixed layer is injected in the subtropics and the Southern Ocean, while the largest fluxes occur in the Subpolar North Atlantic. The paper emphasizes the important role of a few oceanic regions for filling the ocean Cant reservoir.

Paper II investigates the origins of open ocean Oxygen Minimum Zones (OMZs). OMZs are regions depleted in oxygen, and are projected to expand under the current ocean deoxygenation, thus threatening marine life and affecting carbon and nitrogen cycles. The paper benefits from the information implicit in the TMI, to determine the origins of OMZs in terms of OMZ volume, oxygen that survives remineralization and oxygenates OMZs, and oxygen utilization in the interior ocean that contributes to the oxygen-deficit in the OMZs. The results show that OMZs are mostly filled with waters from high-latitudes at millennial timescales, but these waters contribute little to the oxygenation of the OMZs, as most of the oxygen has been utilized upon arrival. Instead, oxygen is mostly supplied by tropical, subtropical and intermediate waters originating from adjacent regions. This study also determines where the utilization of oxygen occurs along the pathways from water mass formation regions to the OMZs, which we refer to as oxygen "remineralization pathways". These pathways show that less than a third of the oxygen-deficit accumulated in OMZs originates within the OMZs. The paper suggests that, in steady-state, OMZs are primarily set by ocean circulation pathways that bring deep and old waters with relatively low oxygen, from high latitudes into the OMZs.

Paper III investigates the ventilation timescales of the Nordic Seas, which is a key region for ocean circulation and climate. In this paper, water mass mean ages derived from observations of CFC-12 are assimilated into an existing high-resolution version of the TMI for the Nordic Seas. The results show that the upper and intermediate Nordic Seas are ventilated on very short timescales, with half of the mixed layer waters being fluxed out of the Nordic Seas after 5 years. The deeper parts of the Nordic Seas, however, are isolated from the mixed-layer waters, indicating that the deep waters in the Nordic Seas are not ventilated in the Nordic Seas. The paper provides a new method to investigate the ventilation of the Nordic Seas, which will eventually allow to estimate the ocean uptake of heat, carbon, and oxygen.

Combined, the three papers highlight the global connection of the world ocean through the transformation and transport of water masses and their biogeochemical properties at different spatial and temporal timescales. They show the importance of ocean circulation and high latitude mode and deep water formation regions for the uptake and distribution of Cant and oxygen. In addition, a step forward is taken in the use of regional data-based transport matrices to provide a more detailed representation of those processes that exert a global impact on climate.