Quantifying Gravitational Carbon Flux in the Northeast Atlantic Ocean

Abstract

Den biologiske karbonpumpen, en nøkkelkomponent i havets karbonsyklus, transporterer årlig mellom 5 og 15 gigatonn karbon fra havoverflaten til dypet. Dette gjør havet til en av de mest betydelige karbonlagrene på planeten.

Den gravitasjonelle karbonpumpen spiller en hovedrolle i transporten av partikulært organisk karbon (POC) til dyphavet. Denne prosessen foregår hovedsakelig gjennom synkende marin snø (MS) og fekal-pellets (FPs). Imidlertid er det betydelige usikkerheter knyttet til estimater av POC-fluks.

I denne studien har vi brukt bilder av MS og FPs, tatt in situ fra overflaten til 1000 m dyp for å estimere POC-flukser. Disse estimatene er basert på data fra 14 forskjellige stasjoner over Norskehavet, Færøybankene og Islandbassenget i juni 2021.

Vi har anvendt maskinlæring for å automatisk klassifisere VPR-bilder, med en imponerende nøyaktighet på 98,5%, oppnådd ved å annotere omtrent 9% av det totale antall bilder. Størrelse-synkehastighets forhold ble etablert ved hjelp av partikler fanget med Marine Snow Catchers (MSCs), og avbildet gjennom FlowCam. VPR POC-flukser varierte fra 0 til 176 mg C m-2 d-1, og var betydelig lavere i Norskehavet sammenlignet med Islandbassenget.

Størrelsen på MS var den dominerende faktoren som påvirket VPR-estimerte POC-flukser for hvert dybdeintervall, overgående partikkelkonsentrasjon. Blant flere stasjoner ble det observert topper i POC-flukser under 200 m med VPRen, som antyder forekomster av episodiske synke-hendelser. Disse funnene tyder på at episodiske flukshendelser kan være viktige bidragsytere til POC-fluks i områder med høy sesongvariasjon. Vi tilskriver disse toppene til diatom-oppblomstringer og produksjon av transparente exopolymerpartikler (TEPs).

Dette utfordrer “the Martin curve”, som representerer konstant fluksreduksjon med dybde, ofte brukt av klimamodeller. Disse funnene har betydelige implikasjoner for fremtidige estimater av atmosfærisk CO2, og understreker behovet for en dypere forståelse av prosessene som styrer gravitasjonelle karbonflukser i havet.

The Biological Carbon Pump (BCP) is responsible for transporting 5-15 gigaton carbon per year from the ocean surface into its interior, making it one of the world’s largest carbon sinks. The gravitational carbon pump is the greatest contributor to particulate organic carbon (POC) flux into the deep sea, mainly through sinking marine snow (MS) and fecal pellets (FPs). Estimates of POC flux are poorly constrained and carry considerable uncertainties.

In this thesis, Video Plankton Recorder (VPR) derived images of MS and FPs taken in situ from the surface to 1000 m depth are used to estimate POC fluxes in 14 different stations spanning the Norwegian Sea, Faroe Banks, and the Iceland Basin during June 2021. Machine learning was used to automatically classify VPR images with an accuracy of 98.5%, achieved by annotating ~9% of the total number of images. Size-sinking relationships were derived from particles captured with Marine Snow Catchers (MSCs) imaged through a FlowCam.

VPR POC fluxes ranged from 0-176 mg C m-2 d-1 and were much lower in the Norwegian Sea compared to the Iceland Basin. Sizes of MS were found to be the primary factor influencing VPR estimated POC fluxes for any depth interval, surpassing particle concentration. Flux peaks below the euphotic zone were commonly observed by the VPR, suggesting occurrences of export pulses. These results indicate that episodic flux events may be important contributors to POC flux in areas with high seasonality, as we attribute diatom blooms and transparent exopolymer particles (TEPs) to these peaks.

This goes against the “Martin curve” representing constant flux attenuation with depth, which is used widely by climate models. This has important implications for future atmospheric CO2 estimations and highlights the need to gain a better understanding of the processes and mechanisms governing gravitational carbon fluxes in the world ocean.