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Acidification and transports of water masses and CO2 in the North Atlantic

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Acidification and transports of water masses and CO2 in the North Atlantic

García Ibáñez, María Isabel
 
DATE : 2015-07-02
UNIVERSAL IDENTIFIER : http://hdl.handle.net/11093/1451
UNESCO SUBJECT : 2510.02 Oceanografía Química ; 2510.03 Oceanografía descriptiva ; 2510.07 Oceanografía Física
DOCUMENT TYPE : doctoralThesis

ABSTRACT :

The rise in the atmospheric CO2 levels due to human activities (CANT) is softened by its oceanic uptake. But this absorption leads to a suite of chemical changes collectively known as ocean acidification. Although acidification occurs in the world ocean, its impacts tend to be stronger in the high latitude oceans. Moreover, in some regions where vertical movements are relatively fast, i.e., in regions of water mass formation such as the Subpolar North Atlantic, the timescale for deep penetration of CANT is on the order of decades, thus being faster exposed to the acidification effects. This thesis focuses on the acidification and transports of water masses and CO2 in the North Atlantic Subpolar Gyre (NASPG). The changes in CANT, pH, total alkalinity (AT) and aragonite saturation were evaluated in the main water masses of the Irminger and Iceland Basins for the period 1981–2014. The CANT uptake in both basins led to significant acidification rates in the whole water column, which drive the shoaling of the aragonite saturation horizon. The impact of acidification on the CaCO3 pump ... [+]
The rise in the atmospheric CO2 levels due to human activities (CANT) is softened by its oceanic uptake. But this absorption leads to a suite of chemical changes collectively known as ocean acidification. Although acidification occurs in the world ocean, its impacts tend to be stronger in the high latitude oceans. Moreover, in some regions where vertical movements are relatively fast, i.e., in regions of water mass formation such as the Subpolar North Atlantic, the timescale for deep penetration of CANT is on the order of decades, thus being faster exposed to the acidification effects. This thesis focuses on the acidification and transports of water masses and CO2 in the North Atlantic Subpolar Gyre (NASPG). The changes in CANT, pH, total alkalinity (AT) and aragonite saturation were evaluated in the main water masses of the Irminger and Iceland Basins for the period 1981–2014. The CANT uptake in both basins led to significant acidification rates in the whole water column, which drive the shoaling of the aragonite saturation horizon. The impact of acidification on the CaCO3 pump led to an AT increase in intermediate and deep waters of the Irminger Sea, although models predict that the AT increase would not be detectable until 2040. pH was decomposed in two terms: one derived from the CANT penetration (DpHCant) and another not directly related to the CANT uptake (DpHVar). At steady state, DpHVar would be constant and all the pH changes would be explained through DpHCant. However, in the intermediate waters of the Irminger Basin DpHCant only explains 64-92% of the observed pH decrease and DpHVar contributes to explain up to 28% of the pH change, driven mainly by ventilation changes. To determine the effect of the circulation changes in the oceanic uptake and storage of CANT, the water mass distribution, transport and transformation in the NASPG are discussed for the first decade of the 2000s (2002–2010), as well as the inter-annual variability of the water mass structure from 1997 to 2010. The reduction of the magnitude of the upper limb of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) between 1997 and the 2000s is associated with the reduction in the northward transport of the Central Waters. This reduction is partially compensated by the reduction of the southward flow of the lower limb of the AMOC, associated with the decrease in the transports of the Polar Intermediate Water and the Subpolar Mode Water in the Irminger Basin. The box model analysis revealed that the Central Waters, Labrador Sea Water, Subarctic Intermediate Water and Iceland–Scotland Overflow Water from the East North Atlantic Basin cross over the Reykjanes Ridge and enter the Irminger Basin, where they are transformed and/or densified, passing from the upper and intermediate water domains to the deep water domain. Since lateral advection of CANT from middle to high latitudes provides the main supply of CANT to the NASPG, knowing the way this CANT is transported is a crucial issue for understanding how the ocean is storing CANT. In this thesis the inter-annual to decadal variability in the transport of CANT (Tcant) across the Subpolar North Atlantic is investigated for the period 1997–2010. The Tcant was decomposed into its diapycnal and isopycnal components, being the former the main driver of the variability of the Tcant. The CANT concentration plays an important role in both components: the horizontal gradient of CANT is responsible for its isopycnic southward transport, mainly in the intermediate and deep waters of the Irminger Basin; while the CANT-laden waters flowing northwards are responsible for the large diapycnic northward transport. At inter-annual to decadal timescales, the variability of the AMOC dominates the Tcant variability, but the CANT increase seems to control the Tcant change on longer timescales, and it is very likely to cause an increase in the Tcant across the Subpolar North Atlantic. [-]
 
El aumento del CO2 atmosférico debido a la actividad humana (CANT) ha sido suavizado por la absorción oceánica. Esta absorción da lugar a una serie de cambios químicos llamados acidificación oceánica. Los efectos de este fenómeno tienden a ser más severos en los océanos de latitudes altas. Además, las aguas profundas de las regiones donde los movimientos verticales son relativamente rápidos, es decir, las zonas donde se forman masas de agua, como el Atlántico Norte, están expuestas más rápidamente a la acidificación. Esta tesis se centra en la acidificación y los transportes de masas de agua y CO2 en el Giro Subpolar del Atlántico Norte (GSPAN). Los cambios de CANT, pH, alcalinidad total (AT) y saturación aragonito se evaluaron en las cuencas del Irminger e Islandia para el periodo 1981–2014. La absorción de CANT en ambas cuencas produjo tasas de acidificación significativas en toda la columna de agua, y un ascenso del horizonte de saturación del aragonito. El impacto de la acidificación en la bomba de CaCO3 produjo un aumento de la AT en aguas intermedias y profundas de la cuenca ... [+]
El aumento del CO2 atmosférico debido a la actividad humana (CANT) ha sido suavizado por la absorción oceánica. Esta absorción da lugar a una serie de cambios químicos llamados acidificación oceánica. Los efectos de este fenómeno tienden a ser más severos en los océanos de latitudes altas. Además, las aguas profundas de las regiones donde los movimientos verticales son relativamente rápidos, es decir, las zonas donde se forman masas de agua, como el Atlántico Norte, están expuestas más rápidamente a la acidificación. Esta tesis se centra en la acidificación y los transportes de masas de agua y CO2 en el Giro Subpolar del Atlántico Norte (GSPAN). Los cambios de CANT, pH, alcalinidad total (AT) y saturación aragonito se evaluaron en las cuencas del Irminger e Islandia para el periodo 1981–2014. La absorción de CANT en ambas cuencas produjo tasas de acidificación significativas en toda la columna de agua, y un ascenso del horizonte de saturación del aragonito. El impacto de la acidificación en la bomba de CaCO3 produjo un aumento de la AT en aguas intermedias y profundas de la cuenca del Irminger, aunque los modelos predicen que el aumento de la AT no será detectable hasta 2040. El pH se dividió en dos términos: uno derivado de la penetración del CANT (DpHCant) y otro no directamente relacionado con ella (DpHVar). En estado estacionario, el término DpHVar sería constante y todos los cambios de pH se explicarían a través del término DpHCant. Sin embargo, en las aguas intermedias de la cuenca del Irminger el DpHCant sólo explica el 64-92% de la disminución de pH observada y el DpHVar contribuye hasta un 28% al cambio de pH, debido principalmente a cambios en la ventilación. Para determinar el efecto de los cambios en la circulación oceánica en la captación y almacenamiento del CANT, se estudió la distribución, transporte y transformación de las masas de agua del GSPAN en la primera década de los 2000 (2002–2010); así como la variabilidad interanual en la estructura de las masas de agua entre 1997 y 2010. La reducción de la magnitud de la rama superior de la circulación termohalina del Atlántico (AMOC) entre 1997 y los 2000 se asocia con la reducción en el transporte de las Aguas Centrales. Esta reducción se compensa parcialmente con la reducción de la magnitud de la rama inferior de la AMOC, asociada con la disminución del transporte del Agua Polar Intermedia y el Agua Modal Subpolar en la cuenca del Irminger. El análisis del modelo de cajas reveló que las Aguas Centrales, el Agua del Mar de Labrador, el Agua Intermedia Subártica y el Agua de desbordamiento de Islandia–Escocia pasan por encima del Reykjanes Ridge de la cuenca Este del Atlántico Norte al Irminger, donde se transforman y/o densifican, pasando de la zona de aguas superiores e intermedias a la zona de aguas profundas. Puesto que la advección lateral de CANT desde las latitudes medias constituye el principal aporte de CANT del GSPAN, conocer la forma en que éste se transporta es crucial para comprender cómo el océano almacena CANT. En esta tesis se investiga la variabilidad interanual a decenal en el transporte de CANT (Tcant) a través del Atlántico Norte Subpolar en el período 1997–2010. El Tcant se dividió en sus componentes diapícnico e isopícnico, siendo el primero el responsable principal de la variabilidad del Tcant. La concentración de CANT juega un papel importante en los dos componentes: el gradiente horizontal de CANT es responsable de su transporte isopícnico hacia el sur, principalmente en las aguas intermedias y profundas del Irminger; mientras que el flujo de las aguas cargadas de CANT es el responsable del alto transporte diapícnico hacia el norte. A escalas de tiempo interanuales a decenales, la variabilidad de la AMOC domina la variabilidad del Tcant, pero a escalas de tiempo mayores es el aumento del CANT el que controla el cambio del Tcant, siendo una consecuencia muy esperable el aumento del Tcant en el Atlántico Norte Subpolar. [-]
 
O aumento do CO2 atmosférico debido á actividade humana (CANT) foi suavizado pola absorción oceánica. Esta absorción dá lugar a unha serie de cambios químicos chamados acidificación oceánica. Os efectos deste fenómeno tenden a ser máis severos nos océanos de latitudes altas. Ademais, as augas profundas das rexións onde os movementos verticais son relativamente rápidos, é dicir, as zonas onde se forman masas de auga, como o Atlántico Norte, están expostas máis rapidamente á acidificación. Esta tese céntrase na acidificación e os transportes de masas de auga e CO2 no Xiro Subpolar do Atlántico Norte (XSPAN). Os cambios de CANT, pH, alcalinidade total (AT) e saturación aragonita avaliáronse nas concas do Irminger e Islandia para o período 1981–2014. A absorción de CANT nas dúas concas produciu taxas de acidificación significativas en toda a columna de auga, e un ascenso do horizonte de saturación da aragonita. O impacto da acidificación na bomba de CaCO3 produciu un aumento da AT en augas intermedias e profundas da conca do Irminger, aínda que os modelos predín que o aumento da AT ... [+]
O aumento do CO2 atmosférico debido á actividade humana (CANT) foi suavizado pola absorción oceánica. Esta absorción dá lugar a unha serie de cambios químicos chamados acidificación oceánica. Os efectos deste fenómeno tenden a ser máis severos nos océanos de latitudes altas. Ademais, as augas profundas das rexións onde os movementos verticais son relativamente rápidos, é dicir, as zonas onde se forman masas de auga, como o Atlántico Norte, están expostas máis rapidamente á acidificación. Esta tese céntrase na acidificación e os transportes de masas de auga e CO2 no Xiro Subpolar do Atlántico Norte (XSPAN). Os cambios de CANT, pH, alcalinidade total (AT) e saturación aragonita avaliáronse nas concas do Irminger e Islandia para o período 1981–2014. A absorción de CANT nas dúas concas produciu taxas de acidificación significativas en toda a columna de auga, e un ascenso do horizonte de saturación da aragonita. O impacto da acidificación na bomba de CaCO3 produciu un aumento da AT en augas intermedias e profundas da conca do Irminger, aínda que os modelos predín que o aumento da AT non será detectable ata 2040. O pH dividiuse en dous termos: un derivado da penetración do CANT (DpHCant) e outro non directamente relacionado con ela (DpHVar). En estado estacionario, o termo DpHVar sería constante e todos os cambios de pH se explicarían a través do termo DpHCant. Non obstante, nas augas intermedias da conca do Irminger o DpHCant só explica o 64-92% da diminución de pH observada e o DpHVar contribúe ata un 28% ao cambio de pH, debido principalmente a cambios na ventilación. Para determinar o efecto dos cambios na circulación oceánica na captación e almacenamento do CANT, estudouse a distribución, transporte e transformación das masas de auga do XSPAN na primeira década dos 2000 (2002–2010); así como a variabilidade interanual na estrutura das masas de auga entre 1997 e 2010. A redución da magnitude da rama superior da circulación termohalina do Atlántico (AMOC) entre 1997 e os 2000 asóciase coa redución no transporte das Augas Centrais. Esta redución compénsase parcialmente coa redución da magnitude da rama inferior da AMOC, asociada coa diminución do transporte da Auga Polar Intermedia e a Auga Modal Subpolar na conca do Irminger. A análise do modelo de caixas revelou que as Augas Centrais, a Auga do Mar de Labrador, a Auga Intermedia Subártica e a Auga de desbordamento de Islandia–Escocia pasan por enriba do Reykjanes Ridge da conca Leste do Atlántico Norte ao Irminger, onde se transforman e/ou densifican, pasando da zona de augas superiores e intermedias a zona de augas profundas. Posto que a advección lateral de CANT dende as latitudes medias constitúe a principal achega de CANT ao XSPAN, coñecer a forma en que este se transporta é crucial para comprender como o océano almacena CANT. Nesta tese investígase a variabilidade interanual a decenal no transporte de CANT (Tcant) a través do Atlántico Norte Subpolar no período 1997–2010. O Tcant dividiuse nos seus compoñentes diapícnico e isopícnico, sendo o primeiro o responsable principal da variabilidade do Tcant. A concentración de CANT xoga un papel importante nos dous compoñentes: o gradiente horizontal de CANT é responsable do seu transporte isopícnico cara ao sur, principalmente nas augas intermedias e profundas do Irminger; mentres que o fluxo das augas cargadas de CANT é o responsable do alto transporte diapícnico cara ao norte. A escalas de tempo interanuais a decenais, a variabilidade da AMOC domina a variabilidade do Tcant, pero a escalas de tempo maiores é o aumento do CANT o que controla o cambio do Tcant, sendo unha consecuencia moi esperable o aumento do Tcant no Atlántico Norte Subpolar. [-]

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