Onderzoeksproject EV/07 (Onderzoeksactie EV)
Dit onderzoeksvoorstel beoogt het belang na te gaan van de Zuidelijke Oceaan als koolstofsink in het licht van komende klimaatsveranderingen. Het voorstel wordt ingediend door BELCANTO (BELgian research on Carbon uptake in the ANTarctic Ocean), een onderzoeksnetwerk waarin mariene ecologen, chemici, geochemici en fysici met expertise op het gebied van ecologische modellisatie, samenwerken. De doelstelling omvat het valideren van geochemische proxies en numerische methoden, ten einde de werking van de biologische koolstofpomp in de huidige Zuidelijke Oceaan beter te in te schatten, alsook scenario’s te voorspellen die rekening houden met de steeds toenemende concentratie van atmosferisch CO2. De onderzoeksstrategie berust op het uitbreiden van bestaande en historische gegevensbanken, processtudies onder gecontroleerde laboratoriumcondities, alsook numerische analyse. Zij beoogt het opvoeren van onze kennis aangaande de mechanismen verantwoordelijk voor de groei, bezinking en biodegradatie van de belangrijkste phytoplanktongroepen (diatomeeën and Phaeocystis) in de Zuidelijke Oceaan.
Bestaande gegevensbanken voor pCO2 zullen uitgebreid worden via gepland terreinwerk, terwijl distributiepatronen van pCO2 en CO2 fluxen zullen samengesteld worden op basis van satellietwaarnemingen van Chl a en oppervlaktewatertemperatuur en correlaties tussen pCO2 , temperatuur en Chl a.
De studie van de biologische processen en de validatie van proxies zal gebeuren onder gecontroleerde condities in het laboratorium, op culturen van belangrijke, karateristieke phytoplankton soorten (Fragilariopsis, Chaetoceros, Phaeocystis) en van bacteriën beide in ijzer-arm (sub nanomolaire concentraties) en koud (1 tot 4ºC) Zuidelijk Oceaan water. Specifiek zal nagegaan worden wat de invloed is van licht en meerdere nutrienten (Fe/NO3/NH4/Si) op de groei en de bezinkingssnelheid van phytoplankton, alsook de invloed van ijzer op de bacteriele afbraak van phytoplanktondetritus. Exportproductie en mineralisatie in de diepzee zullen bepaald worden via de studie van proxies zoals Ba-bariet, f-ratio en delta15N, delta30Si signatuur. Het inschatten van de voornaamste factoren die inspelen op het proxysignaal zal enerzijds gebeuren via in-vitro studies van (i) de Ba-opname en de synthese van bariet en (ii) de afhankelijkheid van f-ratio, stikstof- en silicium isotopenfractionering van het nutrientenaanbod, phytoplanktongroep en temperatuur. Dit wordt anderzijds aangevuld met terreinwerk voor de bepaling van proxies in suspensiemateriaal alsook materiaal bemonsterd in sedimentvallen en de sedimenten. Uiteindelijk zullen algoritmen worden opgesteld die de verschillende proxies relateren aan exportproductie en/of mineralisatie.
Numerische analyse beoogt het upgraden van het bestaande biogeochemische SWAMCO-model dat de flow van C, N, P, Si en Fe doorheen geaggregeerde biologische reservoirs (diatomeeën; nano-pico-phytoplankton; heterotrofe nanoflagellaten, microzooplankton, bacteriën) in oppervlaktewater en de daaropvolgende export van koolstof naar de diepzee simuleert. Upgrading houdt in dat Phaeocystis als toestandsveranderlijke wordt toegvoegd, alsook een uitbreiding van de parameterisatie op basis van de resulaten der laboratorium processtudies. Via modelanalyse zal een vereenvoudigde versie van het SWAMCO-model ontwikkeld worden die vervolgens gekoppeld zal worden aan een oceaan-zeeijs model met hoge spatiale resolutie (30-50 km) afgeleid van het bestaande 3D CLIO-model. Modelsimulaties zullen toegepast worden voor de Zuidelijke Oceaan ten zuiden van 30ºZ. Limietcondities voor toestandsveranderlijken en pCO2 zullen afgeleid worden uit bestaande simulaties met CGCM modellen. Aanvoer van ijzer via de atmosfeer zal beschreven worden, ofwel als een rechtstreekse input van atmosferisch stof, ofwel als gevolg van smelting van sneeuw en zeeijs. Validatie zal gebeuren via vergelijking van modeloutputs, berustend op huidige klimatologische condities, met samengestelde distributievelden van Chl a, primaire productie (bekomen via Seawifs), pCO2 fluxes en exportproductie afgeleid uit de proxy-analyse. Uiteindelijk zullen modelsimulaties uitgevoerd worden voor het toekomstscenario waarbij het atmosferisch CO2 gehalte verdubbeld is.
Methodologieën en interactie tussen de partners
1. In-vitro experimenten met phytoplanktonculturen (ULB-VUB-KMMA), voor
(1) de bepaling van groei, bezinkingssnelheid en bacteriële afbraak van diatomeeën en Phaeocystis onder verzadigende en niet-verzadigende condities van belichting, Fe en Si (ULB);
(2) de evaluatie van export productie proxies, zoals 15N (VUB); synthese van bariet (VUB & KMMA); ?30Si (KMMA).
2. Samenstellen van een gegevensbank voor koolstoffluxen (ULg-VUB-KMMA):
pCO2 (ULg):
(1) Data verzameling voor weinig bemonsterde regio’s en seizoenen;
(2) Bouw van een autonoom pCO2 analysesysteem voor aan boord van bevoorradingsschepen;
(3) Via multivariaatanalyse van SST, oppervlaktewater pCO2 en Chl a, worden algorithmen afgeleid voor de reconstructie van pCO2-distributievelden vanaf satellietwaarnemingen (SEAWIFS) voor SST en Chl a;
(4) Afleiden van atmosfeer-oceaan CO2-fluxen op basis van ERS-windsnelheden en de bekomen pCO2 distributievelden.
Koolstof export- en mineralisatieflux (VUB- KMMA):
Inschatten van de koolstof exportflux uit oppervlaktewater en het mineralisatieprofiel voor organisch detritus in de mesopelagische waterkolom (100-1000m) aan de hand van proxies (f-ratio; 234Th-deficiet; 30Si-biogeen Si; 15N-phytoplankton; Ba-bariet). De exportfluxen worden vergeleken met POC en proxy-fluxen in sedimentvallen, sedimenten, alsook met model simulaties.
Optimisatie van de Ba-bariet proxy (VUB-KMMA):
(1) Nagaan van de co-variatie van mesopelagisch Ba en koolstofexport;
(2) Identificatie van factoren die het Ba-signaal beïnvloeden;
(3) Vergelijken van exportproductie afgeleid uit mesopelagisch Ba met deze afgeleid uit POC fluxen in sedimentvallen;
(4) Reconstructie van POC mineralisatieflux en mineralisatieprofiel in de mesopelagische waterkolom;
(5) Optimisatie van algoritmen die mesopelagisch Ba relateren aan export productie en ontwikkeling van nieuwe algoritmen.
3. Numerische experimenten: ontwikkeling van driedimensionaal oceaan-zeeijs-biogeochemisch model (ULB-UCL)
Koppeling van een biogeochemische model (SWAMCO) aan een 3D oceaan-zeeijs model:
(1) Het 3D oceaan-zeeijs model: Simulaties worden eerst uitgevoerd voor de huidige Zuidelijke Oceaan (1988-2000) en vervolgens voor een scenario met verdubbeling van het atmosferisch pCO2 (UCL);
(2) Het 1D biogeochemisch SWAMCO model wordt geaggregeerd en geoptimiseerd (ULB);
(3) Uitbouw van een geïntegreerd oceaan-zeeijs-biogeochemisch model (UCL): Het geaggregeerde SWAMCO wordt gekoppeld aan het oceaan-zeeijs model (UCL-ULB).
Het gevalideerde oceaan-zeeijs-biogeochemisch model wordt vervolgens gebruikt voor het opstellen van een CO2-massabalans op globale, regionale en seizonale schaal. ‘Sink-source’ regio’s worden geïdentificeerd alsook de opslag van organisch koolstof en CO2 in de diepzee. Simulatie van een situatie met verdubbeld atmosferisch CO2.
Verwachte resultaten
Een betere inschatting van de rol der Zuidelijke Oceaan in Global Change dankzij de ontwikkeling en verbetering van complementaire proxies der biologische koolstofpomp in een ijzer-gelimiteerde Zuidelijke Oceaan en de simulatie van het Zuidelijke Oceaan systeem bij een verdubbeling van het atmosferisch CO2.
Partners
Vrije Universiteit Brussel - ANCH: Expertise op het gebied van (i) bepaling van nieuwe productie met de 5N-methode en modelisatie van de stikstoffluxen; (ii) proxies van nieuwe productie en export productie (Ba-bariet; 234Th-deficiet; 15N).
Université Libre de Bruxelles - ESA: Expertise op het gebied van plankton processen (groei, sedimentatie, bacteriële afbraak) en ontwikkeling van biogeochemische modellen.
Musée Royal d’Afrique Centrale - Koninklijk Museum voor Centraal Afrika: Geochemische expertise op het gebied van analyse en interpretatie van sporeëlement - en isotopen proxies.
Université Catholique de Louvain - ASTR: Expertise op het gebied van hydrodynamische modellisatie en gekoppelde oceaan- en zeeijsmodellen.
Université de Liège - GHER: Expertise op het gebied van oceaan - atmosfeer CO2 uitwisseling en de fysico-chemie van inorganisch koolstof in de oceaan.
Coördinaten:
Dehairs Frank, Co-ordinator: Vrije Universiteit Brussel, Analytische Chemie, ANCH, Pleinlaan 2, B-1050 Brussel; Tel: +32 (0)2 629 32 60; Fax: +32 (0)2 629 32 74; e-mail: fdehairs@vub.ac.be
Lancelot Christiane: Université Libre de Bruxelles, Ecologie des Systèmes Aquatiques (ESA), Campus de la Plaine, CP 221, Boulevard du Triomphe, B-1050 Brussel; Tel: +32 (0)2 650 59 88; Fax: +32 (0)2 650 59 93; e-mail: Lancelot@ulb.ac.be
André Luc: Musée Royal d’Afrique Centrale - Koninklijk Museum voor Centraal Afrika; Mineralogy, Petrography and Geochemistry, Leuvensesteenweg 13, B-3080 Tervuren; Tel: +32 (0)2 769 54 59; Fax: +32 (0)2 759 54 32; e-mail: landre@africamuseum.be
Deleersnijder Eric: Université Catholique de Louvain, Institut d’Astronomie et de Géophysique Georges Lemaïtre (ASTR), Chemin du Cyclotron 2, B-1348 Louvain-la Neuve; Tel: +32 (0)10 47 32 97; Fax: +32 (0)10 47 47 22; e-mail: ericd@astr.ucl.ac.be
Frankignoulle Michel: Université de Liège, Unité d’Océanographie Chimique, Geohydrodynamics and Environmental research (GHER), Institut de Physique, batiment B5, B-4000 Sart-Tilman; Tel: +32 (0)4 366 33 26; Fax: +32 (0)4 366 23 55: e-mail: Michel.Frankignoulle@ulg.ac.be
Gebruikerscomité
Het gebruikerscomité bestaat uit experten die betrokken zijn bij Antarctisch onderzoek complementair aan het onderzoek dat binnen het netwerk voltrokken wordt, alsook uit experten uit overkoepelende en co-ördinerende organisaties begaan met Global Change.
Samenstelling:
Tison Jean-Louis; Université Libre de Bruxelles, Département des Sciences de la Terre et de l’Environnement, Unité de Glaciologie
De Baar Hein J.W., Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ), Den Burg, Nederland
Aumont Olivier, Laboratoire d’Océanographie Dynamique et de Climatologie (LODYC), Institut Pierre et Simon Laplace, Paris, France
Vanderborght Oscar, Institute of Environmental Sciences, Universiteit Antwerpen & Nationaal Comité IGBP - Global Change
Trull Thomas W., Antarctic Cooperative Research Centre, University of Tasmania, Hobart, Tasmania, Australia
Assessing the sensitivity of the Southern Ocean’s biological carbon pump to climate change (BELCANTO II) : final report
Dehairs, F. - Lancelot, C. - André, L. ... et al Brussels : Belgian Science Policy, 2006 (SP1680)
[Om te downloaden]
[Om te bestellen]
Assessing the sensitivity of the Southern Ocean’s biological carbon pump to climate change (BELCANTO II) : synthesis
Brussels : Belgian Science Policy, 2007 (SP1717)
[Om te downloaden]