Insights into early winter Southern Indian Ocean dissolved iron distributions and remineralisation using excess barium (GEOTRACES GIPr07 cruise)
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The Southern Ocean is of central importance to the global ocean, connecting the Atlantic,
Pacific and Indian basins via the Antarctic Circumpolar Current, which carries large amounts
of heat, carbon and nutrients. Thus, this oceanic province partly regulates the Earth's climate,
present and future. One of the factors influencing the biological carbon pump of the Southern
Ocean is the availability of iron, which is an essential nutrient for phytoplankton. However,
observations in this region have mainly been conducted in spring and summer, leaving
significant gaps in our knowledge of the biogeochemical cycle of iron, in particular on the
seasonality of internal processes such as mesopelagic remineralisation.
During this study, the distributions of dissolved iron and excess barium (Baxs), a mesopelagic
remineralisation proxy, were measured throughout the water column, at seven stations along
30 ° E in the Southern Indian Ocean during early austral winter of 2017. To our knowledge,
this is the first winter study on these two parameters and in this sector of the Southern Ocean.
A more in-depth evaluation of the Baxs proxy was conducted by comparing integrated remote
sensing primary production data and the Baxs signal, for all observations available in the
Southern Ocean, on an annual timescale. Our results suggest that remineralization is
maintained at comparable levels as observed during summer, well after the bloom decline,
resulting in the mesopelagic Baxs signal, at the onset of winter.
Regarding dissolved iron, the winter concentrations were not significantly different to summer
observations in the western Southern Indian Ocean, remaining at sub-nanomolar
concentrations, from 0.02 to 0.73 nmol L-1. Concentrations in surface water were depleted,
resembling late summer observations, indicating that in July there has not yet been a
replenishment of the dissolved iron stock in surface waters. The distributions of dissolved iron
and Baxs exhibited peaks in intermediate waters on the water column profiles, indicating iron
remineralization. Using the apparent oxygen utilization proxy, we estimated that a large
fraction (58 ± 1 to 160 ± 2%) of the measured mesopelagic dissolved iron stock was provided
by remineralisation. Iron remineralisation fluxes were largest in the subantarctic zone and
decreased to a minimum in the oligotrophic Subtropical zone.
This study contributes to the emerging understanding of winter trace metal distributions and
internal cycling, giving insight into the replenishment of the winter dFe reservoir, as well as
obtaining better estimates of export and remineralisation on annual and basin scales, within the
Southern Ocean.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Suidelike Oseaan is van sentrale belang vir die globale oseaan en verbind die Atlantiese, die Stille en die Indiese oseane deur die Antarktiese sirkumpolêre stroom, wat groot hoeveelhede hitte, koolstof en voedingstowwe vervoer. Hierdie oseaniese provinsie reguleer dus gedeeltelik die aarde se klimaat, hede en toekoms. Een van die faktore wat die biologiese koolstofpomp van die Suidelike Oseaan beïnvloed, is die beskikbaarheid van yster, wat 'n noodsaaklike voedingstof vir fitoplankton is. Waarnemings in hierdie streek is egter hoofsaaklik in die lente en somer gedoen, wat 'n groot leemte in ons kennis van die biogeochemiese siklus van yster gelaat het, veral oor die seisoenaliteit van interne prosesse, soos mesopelagiese remineralisering. Tydens hierdie studie is die verspreidings van opgeloste yster en oortollige barium (Baxs), 'n mesopelagiese remineralisasie -instaanbediener, gemeet in die waterkolom, op sewe stasies langs 30 °E in die Suidelike Indiese Oseaan gedurende die vroeë Australiese winter van 2017. Na ons wete, is dit die eerste winterstudie oor hierdie twee parameters en in hierdie sektor van die Suidelike Oseaan. 'N Diepgaande evaluering van die Baxs-instaanbediener is uitgevoer deur die geïntegreerde primêre produksie data van afstandswaarneming en die Baxs-sein vir alle waarnemings wat in die Suidelike Oseaan beskikbaar is, op 'n jaarlikse tydskaal te vergelyk. Ons resultate dui daarop dat herineralisering in die somer op vergelykbare vlakke gehandhaaf word, lank na die afname in blom, wat lei tot die mesopelagiese Baxs -sein, met die aanvang van die winter. Wat die opgeloste yster betref, was die winter konsentrasies nie beduidend anders as die somer waarnemings in die westelike Suidelike Indiese Oseaan nie, en bly by sub- nanomolêre konsentrasies, van 0.02 tot 0.73 nmol L-1. Die konsentrasies in die opper vlakte water is uitgeput, wat op die laat somers waargeneem het, wat daarop dui dat daar in Julie nog nie 'n aanvulling van die opgeloste yster voorraad in opper vlakte water was nie. Die verspreidings van opgeloste yster en Baxs vertoon pieke in tussen water op die waterkolom profiele, wat dui op yster herineralisering. Met behulp van die oënskynlike suurstofbenutting - proxy, het ons beraam dat 'n groot fraksie (58 ± 1 tot 160 ± 2%) van die gemete mesopelagiese opgeloste yster voorraad deur herineralisering verskaf is. Yster herineraliserings vloei was die grootste in die subantarktiese sone en het in die oligotrofiese subtropiese sone tot 'n minimum afgeneem. Die data wat tydens hierdie navorsing verkry is, vul leemtes oor die interne yster kringloop in die Suidelike Oseaan en verskaf belangrike inligting oor die seisoenaliteit en tydsbestek van die Baxs -instaanbediener. Hierdie studie dra by tot die ontluikende begrip van winter spoormetaal verspreidings en interne siklus, wat insig gee in die aanvulling van die winter yster reservoir, asook om beter skattings van uitvoer en hermineralisasie op jaar- en komskale in die Suidelike Oseaan.
Résumé: L'océan Austral est d'une importance centrale pour l'océan mondial, reliant les bassins Atlantique, Pacifique et Indien grâce notamment au courant circumpolaire antarctique, qui transporte de grandes quantités de chaleur, de carbone et de nutriments. Ainsi, cette province océanique régule en partie le climat de la Terre, présent et futur. Un des facteurs influençant la pompe à carbone biologique de l’Océan Austral est la disponibilité en fer, qui est un nutriment essentiel à la cellule phytoplanctonique. Or, les observations dans cette région ont été principalement menées au printemps et en été, laissant des lacunes importantes dans notre connaissance du cycle biogéochimique du fer notamment sur la saisonnalité des processus internes tels que la reminéralisation mésopélagique. Au cours de cette thèse, les distributions en fer dissous et d'excès de baryum (Baxs) qui est un proxy de la réminéralisation mésopélagique, ont été mesurés dans toute la colonne d'eau, à sept stations le long de 30°E dans le sud de l'océan Indien au début de l'hiver austral 2017. A notre connaissance, il s'agit de la première étude hivernale sur ces deux paramètres et dans ce secteur de l’Océan. Nous avons également mené une évaluation plus approfondie du proxy Baxs en comparant les données de production primaire obtenues par télédétection intégrée et le signal de Baxs, pour toutes les observations disponibles dans l'océan Austral, sur une échelle de temps annuelle. Nos résultats suggèrent que la reminéralisation est maintenue à des niveaux comparables à l'été, bien après la fin de la floraison, entraînant le signal de Baxs mésopélagique, au début de l'hiver. Concernant le fer dissous, les concentrations hivernales ne sont pas significativement différentes des observations estivales mesurées dans l'ouest de l'océan Indien Austral, restant à des concentrations sub-nanomolaires, de 0.02 à 0.73 nmol L-1. Les concentrations dans les eaux de surface sont diminués, ressemblant aux observations de fin d'été, indiquant qu'en juillet, il n'y a pas encore eu de reconstitution du stock de fer dissous dans les eaux de surface. Les distributions de fer dissous et d'excès de baryum présentent des pics dans les eaux intermédiaires sur les profils de colonne d'eau, indiquant une reminéralisation du fer. En utilisant le proxy d'utilisation apparente de l'oxygène nous avons estimé qu’une fraction importante (de 58 ± 1 à 160 ± 2 %) du stock de fer dissous mésopélagique mesuré était fourni par reminéralisation. Les flux de reminéralisation du fer sont plus élevés dans la zone subantarctique et plus faibles dans la zone subtropicale oligotrophe. Les données obtenues au cours de cette thèse comblent certaines lacunes, notamment sur le cycle interne du fer dans l’Océan Austral et fournissent d’importantes informations sur la saisonnalité et l'échelle de temps du proxy Baxs. Cette étude contribue à la compréhension émergente des distributions hivernales des métaux traces et du cycle interne, en donnant un aperçu de la reconstitution du réservoir hivernal du fer, ainsi qu'en obtenant de meilleures estimations de l'exportation et de la reminéralisation à l'échelle annuelle et du bassin, dans l’Océan Austral.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Suidelike Oseaan is van sentrale belang vir die globale oseaan en verbind die Atlantiese, die Stille en die Indiese oseane deur die Antarktiese sirkumpolêre stroom, wat groot hoeveelhede hitte, koolstof en voedingstowwe vervoer. Hierdie oseaniese provinsie reguleer dus gedeeltelik die aarde se klimaat, hede en toekoms. Een van die faktore wat die biologiese koolstofpomp van die Suidelike Oseaan beïnvloed, is die beskikbaarheid van yster, wat 'n noodsaaklike voedingstof vir fitoplankton is. Waarnemings in hierdie streek is egter hoofsaaklik in die lente en somer gedoen, wat 'n groot leemte in ons kennis van die biogeochemiese siklus van yster gelaat het, veral oor die seisoenaliteit van interne prosesse, soos mesopelagiese remineralisering. Tydens hierdie studie is die verspreidings van opgeloste yster en oortollige barium (Baxs), 'n mesopelagiese remineralisasie -instaanbediener, gemeet in die waterkolom, op sewe stasies langs 30 °E in die Suidelike Indiese Oseaan gedurende die vroeë Australiese winter van 2017. Na ons wete, is dit die eerste winterstudie oor hierdie twee parameters en in hierdie sektor van die Suidelike Oseaan. 'N Diepgaande evaluering van die Baxs-instaanbediener is uitgevoer deur die geïntegreerde primêre produksie data van afstandswaarneming en die Baxs-sein vir alle waarnemings wat in die Suidelike Oseaan beskikbaar is, op 'n jaarlikse tydskaal te vergelyk. Ons resultate dui daarop dat herineralisering in die somer op vergelykbare vlakke gehandhaaf word, lank na die afname in blom, wat lei tot die mesopelagiese Baxs -sein, met die aanvang van die winter. Wat die opgeloste yster betref, was die winter konsentrasies nie beduidend anders as die somer waarnemings in die westelike Suidelike Indiese Oseaan nie, en bly by sub- nanomolêre konsentrasies, van 0.02 tot 0.73 nmol L-1. Die konsentrasies in die opper vlakte water is uitgeput, wat op die laat somers waargeneem het, wat daarop dui dat daar in Julie nog nie 'n aanvulling van die opgeloste yster voorraad in opper vlakte water was nie. Die verspreidings van opgeloste yster en Baxs vertoon pieke in tussen water op die waterkolom profiele, wat dui op yster herineralisering. Met behulp van die oënskynlike suurstofbenutting - proxy, het ons beraam dat 'n groot fraksie (58 ± 1 tot 160 ± 2%) van die gemete mesopelagiese opgeloste yster voorraad deur herineralisering verskaf is. Yster herineraliserings vloei was die grootste in die subantarktiese sone en het in die oligotrofiese subtropiese sone tot 'n minimum afgeneem. Die data wat tydens hierdie navorsing verkry is, vul leemtes oor die interne yster kringloop in die Suidelike Oseaan en verskaf belangrike inligting oor die seisoenaliteit en tydsbestek van die Baxs -instaanbediener. Hierdie studie dra by tot die ontluikende begrip van winter spoormetaal verspreidings en interne siklus, wat insig gee in die aanvulling van die winter yster reservoir, asook om beter skattings van uitvoer en hermineralisasie op jaar- en komskale in die Suidelike Oseaan.
Résumé: L'océan Austral est d'une importance centrale pour l'océan mondial, reliant les bassins Atlantique, Pacifique et Indien grâce notamment au courant circumpolaire antarctique, qui transporte de grandes quantités de chaleur, de carbone et de nutriments. Ainsi, cette province océanique régule en partie le climat de la Terre, présent et futur. Un des facteurs influençant la pompe à carbone biologique de l’Océan Austral est la disponibilité en fer, qui est un nutriment essentiel à la cellule phytoplanctonique. Or, les observations dans cette région ont été principalement menées au printemps et en été, laissant des lacunes importantes dans notre connaissance du cycle biogéochimique du fer notamment sur la saisonnalité des processus internes tels que la reminéralisation mésopélagique. Au cours de cette thèse, les distributions en fer dissous et d'excès de baryum (Baxs) qui est un proxy de la réminéralisation mésopélagique, ont été mesurés dans toute la colonne d'eau, à sept stations le long de 30°E dans le sud de l'océan Indien au début de l'hiver austral 2017. A notre connaissance, il s'agit de la première étude hivernale sur ces deux paramètres et dans ce secteur de l’Océan. Nous avons également mené une évaluation plus approfondie du proxy Baxs en comparant les données de production primaire obtenues par télédétection intégrée et le signal de Baxs, pour toutes les observations disponibles dans l'océan Austral, sur une échelle de temps annuelle. Nos résultats suggèrent que la reminéralisation est maintenue à des niveaux comparables à l'été, bien après la fin de la floraison, entraînant le signal de Baxs mésopélagique, au début de l'hiver. Concernant le fer dissous, les concentrations hivernales ne sont pas significativement différentes des observations estivales mesurées dans l'ouest de l'océan Indien Austral, restant à des concentrations sub-nanomolaires, de 0.02 à 0.73 nmol L-1. Les concentrations dans les eaux de surface sont diminués, ressemblant aux observations de fin d'été, indiquant qu'en juillet, il n'y a pas encore eu de reconstitution du stock de fer dissous dans les eaux de surface. Les distributions de fer dissous et d'excès de baryum présentent des pics dans les eaux intermédiaires sur les profils de colonne d'eau, indiquant une reminéralisation du fer. En utilisant le proxy d'utilisation apparente de l'oxygène nous avons estimé qu’une fraction importante (de 58 ± 1 à 160 ± 2 %) du stock de fer dissous mésopélagique mesuré était fourni par reminéralisation. Les flux de reminéralisation du fer sont plus élevés dans la zone subantarctique et plus faibles dans la zone subtropicale oligotrophe. Les données obtenues au cours de cette thèse comblent certaines lacunes, notamment sur le cycle interne du fer dans l’Océan Austral et fournissent d’importantes informations sur la saisonnalité et l'échelle de temps du proxy Baxs. Cette étude contribue à la compréhension émergente des distributions hivernales des métaux traces et du cycle interne, en donnant un aperçu de la reconstitution du réservoir hivernal du fer, ainsi qu'en obtenant de meilleures estimations de l'exportation et de la reminéralisation à l'échelle annuelle et du bassin, dans l’Océan Austral.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Southern Ocean -- Effect of climatic changes on, Marine winter barium excess, Marine winter iron cycling, Mesopelagic remineralisation, Biological carbon pump, Ocean -- Climatic factors, Biogeochemical cycles -- Seasonal variations, Mineral cycle (Biogeochemistry), Marine phytoplankton -- Effect of iron on -- Southern Ocean, UCTD