Modelling the marine biogeochemical implications of aeolian, sedimentary and riverine iron supply

Nickelsen, Levin

Iron is an important nutrient for marine phytoplankton and low concentrations of iron limit phytoplankton growth in around 40% of the surface area of the ocean. Due to the low solubility of iron in the sea, the concentrations of iron are largely dependent on external sources such as atmospheric deposition of iron-containing dust derived from arid areas on land. However, also release of iron from the sediment and the supply of iron from rivers are important external sources of iron to the ocean. In this thesis the role of these external sources in influencing marine biogeochemistry is studied. In a first step, an existing ocean biogeochemical model is used to study the sensitivity of oceanic CO2 uptake to dust deposition. The so-called iron hypothesis suggests that enhanced atmospheric dust deposition to the Southern Ocean during the Last Glacial Maximum around 20,000 years decreased atmospheric CO2 concentrations by increasing phytoplankton growth and export of organically bound carbon to the deep ocean. The first part of the thesis shows that the sensitivity of organic matter export and oceanic CO2 uptake to dust deposition is increased significantly if the impact of iron bioavailability on light harvesting capabilities is explicitly considered. These results also indicate that there is still uncertainty in the biogeochemical response to dust deposition. In the second part of the thesis, a model of the oceanic iron cycle is developed and implemented in the University of Victoria Earth System Climate Model (UVic). This implementation allows iron cycling sensitivity studies in the framework of an earth system model of intermediate complexity. The results show that a precise description of the depth of the sedimentary iron release is necessary to simulate the iron supply from the sediment to the euphotic zone. Scaling the sedimentary iron release with temperature leads to a better agreement of simulated iron concentrations with observations, indicating a possible influence of temperature on the sediment release on the global scale. A test simulation regarding the atmospheric dust deposition shows that neglecting the variability in the solubility of iron in atmospheric dust does not significantly alter iron limitation patterns. However, the assumed global concentration of iron-binding ligands regulates the response to changes in sedimentary release of iron and dust deposition strongly and thus reveals a further major uncertainty in the interaction of the iron cycle with ocean biogeochemistry. In the third part of this thesis, literature data on benthic dissolved iron fluxes, bottom water oxygen concentrations and sedimentary carbon oxidation rates are assembled. The data are analyzed with a diagenetic iron model to derive an empirical transfer function for predicting benthic iron fluxes in dependence on oxygen concentrations and carbon oxidation rates. Employing the empirical function to the UVic-model from the previous chapter leads to a factor of two higher globally averaged iron concentrations in surface waters. Iron fluxes from the sediment could therefore be much larger than previously thought. In the fourth part of this thesis, the empirical transfer function developed in the previous chapter is further tested in the UVic-model. The results show that a riverine supply of iron is necessary as a source of reactive iron to the sediment to balance the release of dissolved iron from the sediment on a global scale. A sensitivity test reveals that export production and oxygen concentrations are highly sensitive to the riverine iron source. This strong sensitivity could play an important role in determining primary production and the extent of low oxygen waters under climate change. Overall, this thesis emphasizes the importance of the external sources of iron to the ocean. Dust deposition, sedimentary iron release and riverine iron supply strongly control the dissolved iron concentrations in the ocean. Changes in these external sources can have strong implications for marine biogeochemistry and oceanic CO2 uptake.

Eisen ist ein wichtiger Nährstoff für Phytoplankton. Niedrige Eisenkonzentrationen begrenzen das Wachstum von Phytoplankton in etwa 40% der Oberfläche des Ozeans. Aufgrund der geringen Löslichkeit von Eisen im Meer ist die Konzentration von Eisen weitgehend von externen Quellen abhängig. Eine dieser Quellen ist beispielsweise die atmosphärische Deposition von eisenhaltigem Staub, der aus ariden Gebieten an Land stammt. Aber auch die Eisenfreisetzung aus dem Sediment des Ozeans und der Eintrag von Eisen aus Flüssen in den Ozean sind wichtige externe Eisenquellen für den Ozean. In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle dieser externen Quellen von Eisen und deren Wechselwirkung mit der marinen Biogeochemie untersucht. In einem ersten Schritt wird ein bestehendes biogeochemisches Ozeanmodell verwendet, um die Sensitivität der ozeanischen CO2-Aufnahme auf Staubablagerungen zu studieren. Die so genannte iron hypothesis sagt aus, dass erhöhte atmosphärische Staubablagerung in den Südlichen Ozean während des letzten glazialen Maximums vor rund 20.000 Jahren zu einem verstärktem Wachstum von Phytoplankton und Export von organisch gebundenem Kohlenstoff in die Tiefsee führte. Dadurch sei der atmosphärische CO2-Gehalt verringert worden. Die Ergebnisse des ersten Teils der Arbeit zeigen, dass die Sensitivität des Exports von organischem Material in die Tiefsee und auch der ozeanischen CO2-Aufnahme bezüglich des atmosphärischen Staubeintrags deutlich erhöht wird, wenn die Auswirkungen der Bioverfügbarkeit von Eisen auf Lichtsammelfähigkeiten explizit berücksichtigt werden. Diese Ergebnisse zeigen damit auch, dass es noch viele Unsicherheiten in der biogeochemischen Reaktion auf veränderte Staubeinträge gibt. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Modell des ozeanischen Eisenkreislaufs entwickelt und in das University of Victoria Earth System Climate Model (UVic) implementiert. Dies ermöglicht die Durchführung von Sensitivitätsstudien bezüglich des Eisenkreislaufs im Rahmen eines Erdsystem-Modells mittlerer Komplexität. Die Ergebnisse zeigen, dass eine genaue Beschreibung der Tiefe der Freisetzung von Eisen aus dem Sediment notwendig ist, um die Zufuhr von Eisen aus dem Sediment in die euphotische Zone zu simulieren. Eine Skalierung des Eisenflusses aus dem Sediment mit der Wassertemperatur führt zu einer besseren Übereinstimmung zwischen simulierten Eisenkonzentrationen und Beobachtungen, was auf einen möglichen Einfluss der Temperatur auf den sedimentären Eisenfluss auf globaler Ebene hinweist. Eine Testsimulation in Bezug auf den atmosphärischen Eiseneintrag zeigt, dass sich die Verteilung der eisenlimitierten Areale im Ozean kaum verändert, wenn man im Modell berücksichtigt, dass die Löslichkeit von Eisen im atmosphärischen Staub stark variiert. Allerdings beeinflusst die globale Konzentration von Liganden, die Eisen gelöst halten, stark die simulierten Reaktionen der Ozeanbiogeochemie auf Veränderungen im Sedimentfluss und Staubeintrag von Eisen und zeigt damit eine weitere Unsicherheit in der Wechselwirkung des Eisenkreislaufs mit der Ozeanbiogeochemie auf. Im dritten Teil dieser Arbeit werden Daten über benthische Eisenflüsse, Bodenwasser-Sauerstoffkonzentrationen und sedimentäre Kohlenstoff-Oxidationsraten zusammengestellt. Diese Daten werden mit einem diagenetischen Eisenmodell analysiert, um eine empirische Transferfunktion für die Beschreibung von benthischen Eisenflüssen in Abhängigkeit von Sauerstoffkonzentrationen und Kohlenstoff-Oxidationsraten abzuleiten. Die Verwendung der empirischen Funktion in der Konfiguration des UVic-Modells aus dem vorigen Abschnitt führt zu einer um den Faktor zwei höheren global gemittelte Eisenkonzentration im Oberflächenwasser. Eisenflüsse aus dem Sediment könnten somit viel größer sein als zuvor angenommen. Im vierten Teil der Arbeit wird die empirische Übertragungsfunktion aus dem vorherigen Kapitel weiter im UVic-Modell getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Flusseintrag von Eisen notwendig ist, um reaktives Eisen in das Sediment einzutragen und die Freisetzung von gelöstem Eisen aus dem Sediment auf globaler Ebene auszugleichen. Eine Sensitivitätsstudie zeigt eine starke Sensitivität der Exportproduktion und von Sauerstoffkonzentrationen zu der Größe des Flusseintrags von Eisen. Diese starke Sensitivität könnte beispielsweise während des Klimwandels eine wichtige Rolle für die Primärproduktion und die Ausbreitung von Ozeanwassern mit niedrigen Sauerstoffkonzentrationen spielen. Diese Arbeit unterstreicht die Bedeutung der externen Quellen von Eisen für den Ozean. Staubeintrag, sedimentärer Eisenfluss und Flusseinträge steuern auf starke Weise den gelösten Eisengehalt im Meer. Änderungen in diesen externen Quellen können starke Auswirkungen auf die marine Biogeochemie und die ozeanische CO2-Aufnahme haben.

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Nickelsen, Levin: Modelling the marine biogeochemical implications of aeolian, sedimentary and riverine iron supply. 2015.

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