Obieg węgla w Morzu Bałtyckim

Obieg węgla w Morzu Bałtyckim Karol Kuliński Zakład Chemii i Biochemii Morza Promotor: Prof. dr hab. inż. Janusz Pempkowiak Finansowanie: Działalność statutowa IOPAN, Temat II.2 Grant promotorski MNiSW nr: N N306 3908 EU FP6 CARBOOCEAN Sopot, 15.02.2011

Morza i oceany absorbują 1,6 ± 0,9 10 15 g C w postaci CO 2 (Takahashi i in., 2009) Pompa biologiczna Chisholm, 2000

Rola Morza Bałtyckiego??? 10,8 g C m -2 rok -1 (Thomas i in., 2003) 36,0 g C m -2 rok -1 (Kuss i in., 2006) -35,4 g C m -2 rok -1 (Algesten i in., 2006) -19,7 g C m -2 rok -1 (Wesslander i in., 2010) -28,1 g C m -2 rok -1 (Wesslander i in., 2010) HELCOM, 2007

Hipoteza: Kierunek i wielkość wymiany netto CO 2 przez powierzchnię Morze Bałtyckie atmosfera można wyznaczyć wykorzystując bilans mas Cel pracy: Przedstawienie ilościowego i jakościowego opisu obiegu węgla w Morzu Bałtyckim

Model pudełkowy budżet węgla F i F e wymiana pomiędzy M. Bałtyckim i M. Źródła Północnym dodatnie F s depozycja do osadów dennych F Ubytki m strumień - ujemne powrotny z osadów dennych F r dopływ z wodami rzek F p źródła punktowe (ścieki) F f rybołówstwo F o depozycja z atmosfery F a wymiana netto CO 2 przez granicę woda morska/atmosfera źródła = ubytki F i + F e + F o + F a + F f + F p + F r + F m + F s = 0 F a = F i + F e + F o + F f + F p + F r + F m + F s

Zadania badawcze: zidentyfikowanie istotnych strumieni węgla w M. Bałtyckim wyznaczenie ilościowej wymiany węgla pomiędzy M. Bałtyckim i M. Północnym z uwzględnieniem zmienności krótkookresowej określenie dopływu węgla z wodami rzek do M. Bałtyckiego oszacowanie depozycji węgla do osadów dennych M. Bałtyckiego wyznaczenie wielkości strumienia powrotnego węgla z osadów dennych M. Bałtyckiego do toni wodnej wyznaczenie dynamiki procesów wczesnej diagenezy materii organicznej osadach dennych

Wymiana węgla pomiędzy M. Bałtyckim i M. Północnym

F = C V F strumień węgla C stężenie węgla V objętość przepływającej wody Morze Północne MP MB Morze Bałtyckie Zmienność sezonowa rozpuszczonego węgla nieorganicznego (DIC) MB (Thomas i Schneider, 1999) + wyniki własne MP (Prowe i in., 2009) + wyniki własne Zmienność sezonowa rozpuszczonego węgla organicznego (DOC) MB wyniki własne MP wyniki własne + niepublikowane dane S. Suratmana (UEA) Hydrodynamiczny model CMOD Okres: VI.2002 V.2006 Metoda end members x + y = 1 S B x + S P y = S CD x udział wody bałtyckiej y udział wody północnomorskiej S B zasolenie wody bałtyckiej [PSU] S P zasolenie wody północnomorskiej [PSU] S CD zasolenie wody w Cieśninach Duńskich [PSU]

Dopływ węgla z wodami rzek

F = C V F strumień węgla C stężenie węgla V objętość przepływającej wody HELCOM, 2007 Baza danych: Narodowe programy monitoringowe krajów nadbałtyckich Okres 2004-2008 Średniomiesięczne wartości stężeń węgla (TOC, TIC) Średniomiesięczne wartości objętości przepływającej wody Objętość sumaryczna 345 km 3 rok -1 80% całkowitej objętości (428 km 3 rok -1 Lass i Matthäus, 2008)

Depozycja węgla do osadów dennych oraz strumień powrotny do toni wodnej

Depozycja węgla do osadów dennych Typy dna w Morzu Bałtyckim Powierzchnia obszarów depozycyjnych oraz tempo akumulacji węgla organicznego zostały wyznaczone w oparciu o dane literaturowe: Błaszczyszyn, 1982 Emeis i in., 2000 Algesten i in., 2006 Christoffersen i in., 2007 erozyjne pośrednie depozycyjne Jönsson i in., 2005

Strumień powrotny węgla z osadów dennych F2 BY15 MB B1 P1 DIC, DOC DIC, DOC J = -φ D sed ΔC Δx J strumień dyfuzyjny [μg cm -2 s -1 ] φ porowatość 1. cm osadu [%] D sed współczynnik dyfuzji [cm 2 s -1 ] ΔC Δx zmiana stężenia z głębokością μg cm [ -3 cm ] Ullman i Aller, 1982

Wymiana węgla pomiędzy M. Bałtyckim i M. Północnym

Wymiana wody pomiędzy Morzem Bałtyckim i Morzem Północnym okres DIC [Tg C rok -1 ] bałtycki DIC północnomorski DIC suma 2002/2003-11,39 5,41-5,98 2003/2004-9,23 3,97-5,26 2004/2005-9,18 1,65-7,53 2005/2006-8,98 3,76-5,22 średnia±sd -9,70±1,13 3,70±1,55-6,00±1,08 okres bałtycki DOC DOC [Tg C rok -1 ] północnomorski DOC suma 2002/2003-2,21 0,28-1,93 2003/2004-1,80 0,23-1,57 2004/2005-1,79 0,11-1,68 2005/2006-1,72 0,22-1,50 średnia±sd -1,88±0,22 0,21±0,07-1,67±0,19

Dopływ węgla z wodami rzek

Dopływ węgla z wodami rzek

Depozycja węgla do osadów dennych oraz strumień powrotny do toni wodnej

Depozycja węgla do osadów dennych

Strumień powrotny węgla z osadów dennych

F o = 0,57 F s = -3,78 F a = -1,14 F m = 1,14 Budżet węgla w Morzu Bałtyckim Morze Północne F i = 3,91 F e = -11,58 Osady Morze Bałtyckie Atmosfera F f = -0,06 F p = 0,04 F r = 10,90 Ładunki węgla wyrażone są w 10 12 g C rok -1 Emisja netto CO 2 z M. Bałtyckiego do Dane literaturowe: F o Algesten i in., 2006; atmosfery Kuśmierczyk-Michulec i in., 2001 F f ICES, F2008; Crabtree, 1995 a = -1,14 ± 2,47 10 12 g C rok -1 F p HELCOM, 2004 F a = -3,0 ± 6,4 g C m -2 rok -1 Ląd Dopływ węgla z wodami rzek IC: 62% OC: 38% Import węgla z M. Północnego IC: 95% OC: 5% Eksport węgla do M. Północnego IC: 83% OC: 17% Depozycja do osadów dennych OC: 100% Strumień powrotny węgla z osadów dennych IC: 91% OC: 9%

Dziękuję

Wnioski Bilans mas węgla w Morzu Bałtyckim umożliwia wyznaczenie kierunku i wielkości wymiany netto CO 2 przez powierzchnię woda morska/atmosfera Najważniejszymi elementami budżetu węgla w Morzu Bałtyckim są: - spływ rzeczny, - wymiana węgla pomiędzy Bałtykiem i Morzem Północnym, - depozycja materii organicznej do osadów dennych, - procesy dekompozycji i mineralizacji materii organicznej w osadach, - wymiana CO 2 przez powierzchnię woda morska/atmosfera. Morze Bałtyckie emituje do atmosfery średnio 3,0 ± 6,4 g C m -2 rok -1 w postaci CO 2. Spływ rzeczny wnosi największe ładunki węgla nieorganicznego i organicznego do Morza Bałtyckiego (10,90 10 12 g C rok -1 ) Morze Bałtyckie jest eksporterem netto węgla do Morza Północnego (-7,67 10 12 g C rok -1 ). Ilościowa ocena eksportu węgla do osadów dennych winna uwzględniać procesy dekompozycji i mineralizacji zachodzące w trakcie wczesnej diagenezy. Roczne strumienie węgla w Bałtyku wahają się w szerokich granicach.

Analiza próbek DOC i DIC próbka wody próbka wody filtracja 0,4 μm zakwaszanie HCl do ph=2 usuwanie CO 2 powietrzem syntetycznym przesącz DOC utlenianie OC Na 2 S 2 O 8 + UV detekcja powstałego CO 2 w IR DIC konserwacja HgCl 2 zakwaszanie HCl do ph=2 detekcja powstałego CO 2 w IR

F = C V F strumień węgla C stężenie węgla V objętość przepływającej wody Morze Północne MP MB Morze Bałtyckie Zmienność sezonowa rozpuszczonego węgla nieorganicznego (DIC) MB (Thomas i Schneider, 1999) + wyniki własne MP (Prowe i in., 2009) + wyniki własne Zmienność sezonowa rozpuszczonego węgla organicznego (DOC) MB wyniki własne MP wyniki własne + niepublikowane dane S. Suratmana (UEA)

Zmienność sezonowa stężeń DIC MB modelowany DIC (Thomas i Schneider, 1999) MB granica błędu (Thomas i Schneider, 1999) MB zmierzony DIC (2006-2009) MP modelowany DIC (Prowe i in., 2009) MP granica błędu (Prowe i in., 2009) MP zmierzony DIC (2006-2007)

Dokładność budżetu węgla w Morzu Bałtyckim Strumień Ładunek netto węgla Niepewność Niepewność [10 12 g C rok -1 ] [10 12 g C rok -1 ] [%] Rzeki 10,90 4,37 40,1 M. Północne -7,67 2,91 38,2 Osady denne -2,64 0,74 28,0 Opady 0,57 0,07 13,3 Źródła punktowe 0,04 n. i. <7 Rybołówstwo -0,06 n. i. <8 n.i. nieistotne źródła niepewności (<0,01 10 12 g C rok -1 ) Emisja netto CO 2 z M. Bałtyckiego do atmosfery F a = -1,14 ± 2,47 10 12 g C rok -1 F a = -3,0 ± 6,4 g C m -2 rok -1

V [km 3 ] V [km 3 ] Wprowadzenie Cel Koncepcja Metody Wyniki Wnioski Wymiana wody pomiędzy Morzem Bałtyckim i Morzem Północnym 20 15 10 5 woda bałtycka powracająca do M. Bałtyckiego 2005 0-5 -10-15 -20 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 woda bałtycka wypływająca do M. Północnego dzień roku 20 15 10 5 woda północnomorska wpływająca do M. Bałtyckiego 2005 0-5 -10-15 -20 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 woda północnomorska powracająca do M. Północnego dzień roku

Zmienność sezonowa stężeń DOC Molo zmierzony DOC Molo granica błędu MB modelowany DOC MB granica błędu MB zmierzony DOC (2006-2009) MP modelowany DOC MP granica błędu MP zmierzony DOC (2006-2007) MP zmierzony DOC (S. Suratman)