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Carbonate counter pump s/mulated by natural iron fer/liza/on in the Polar Frontal Zone Ian Salter *, Ralf Schiebel, Patrizia Ziveri, Aurore Movellan, Richard Lampi>, George Wolff *AlfredWegnerIns.tute for Polar and Marine Science, Bremerhaven, Germany

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Page 1: natural)iron)fer/liza/on)in)the)Polar)Frontal)) Zone) · Atmosphere Surface Ocean Deep-Ocean CO 2 (i) Removal of CO 2 plankton POC export – biological carbon pump (ii) Production

Carbonate  counter  pump  s/mulated  by    natural  iron  fer/liza/on  in  the  Polar  Frontal    Zone  

Ian  Salter*,  Ralf  Schiebel,  Patrizia  Ziveri,  Aurore  Movellan,    Richard  Lampi>,  George  Wolff  *Alfred-­‐Wegner-­‐Ins.tute  for  Polar  and  Marine  Science,  Bremerhaven,  Germany  

Page 2: natural)iron)fer/liza/on)in)the)Polar)Frontal)) Zone) · Atmosphere Surface Ocean Deep-Ocean CO 2 (i) Removal of CO 2 plankton POC export – biological carbon pump (ii) Production

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

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CaCO3  producMon  in  the  surface  and  transport  to  depth    increases  atmospheric  CO2.    On  millenial  Mme-­‐scales  CCP  leads  to  shiRs  in  the  verMcal    distribuMon  of    TCO2  and  TA  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Page 4: natural)iron)fer/liza/on)in)the)Polar)Frontal)) Zone) · Atmosphere Surface Ocean Deep-Ocean CO 2 (i) Removal of CO 2 plankton POC export – biological carbon pump (ii) Production

Constrain  the  opposing  effects  of  these  counter-­‐acMng    components  of  the  biological  carbon  pump    

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Page 5: natural)iron)fer/liza/on)in)the)Polar)Frontal)) Zone) · Atmosphere Surface Ocean Deep-Ocean CO 2 (i) Removal of CO 2 plankton POC export – biological carbon pump (ii) Production

Island-­‐associated  blooms  in  Southern  Ocean    Iron-­‐supply  enhances  ecosystem  producMvity  and  POC  export  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

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Pollard  et  al.  2009  Nature  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

[+Fe]-­‐ferMlized  bloom  to  the  North;  [HNLC]  to  the  south  

+Fe  

HNLC  

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POC  fluxes  enhanced  by  a  factor  of  ~2-­‐3  as  a  result  of  iron  ferMlizaMon    

Driven  by  resMng  spore  formaMon  of  Eucampia  antarc.ca  var  antarc.ca  

Salter  et  al.  2012  Glob.  Biogeo  Cy.  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

+Fe   HNLC  

E.  antarc)ca  var.  antarc)ca  

Organic  carbon  pump  

~x2  ~x3  

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POC  fluxes  enhanced  by  a  factor  of  ~2-­‐3  as  a  result  of  iron  ferMlizaMon    

Driven  by  resMng  spore  formaMon  of  Eucampia  antarc.ca  var  antarc.ca  

Salter  et  al.  2012  Glob.  Biogeo  Cy.  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

+Fe   HNLC  

E.  antarc)ca  var.  antarc)ca  

Organic  carbon  pump  

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-­‐  Annual  CaCO3  fluxes  were  7-­‐10  Mmes  higher  in  [+Fe]  regime    -­‐  Large  excess  CaCO3  fluxes  than  excess  POC  fluxes  :        POC:PIC  ra/o  

POC  flux  2-­‐3  fold  increase  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

+Fe   HNLC  

~x7  ~x10  

+Fe   +HNLC  

Inorganic  carbon  pump  

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(1)   How  are  CaCO3  fluxes  distributed  across    different  calcifying  groups?      (2)  How  significant  is  the  carbonate  counter  pump    for  iron-­‐ferMlized  sequestraMon  of  atmospheric  CO2?  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Page 11: natural)iron)fer/liza/on)in)the)Polar)Frontal)) Zone) · Atmosphere Surface Ocean Deep-Ocean CO 2 (i) Removal of CO 2 plankton POC export – biological carbon pump (ii) Production

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

(1)   How  are  CaCO3  fluxes  distributed  across    different  calcifying  groups?      (2)  How  significant  is  the  carbonate  counter  pump    for  iron-­‐ferMlized  sequestraMon  of  atmospheric  CO2?  

Page 12: natural)iron)fer/liza/on)in)the)Polar)Frontal)) Zone) · Atmosphere Surface Ocean Deep-Ocean CO 2 (i) Removal of CO 2 plankton POC export – biological carbon pump (ii) Production

Methods:    Coccolith-­‐derived  CaCO3    -­‐  fine-­‐fracMon  (<  20  um  and  20-­‐63  um)  Ca  (ICP-­‐AES)    Pteropod  species  enumerated,  removed  and  weighed  with  fragments    Foraminifera  –  automated  image  analysis  (63-­‐100  and  >100  um)  Manual  species  ID.    

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Coccolith   Foraminifer   Pteropods  

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INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

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Foraminifer  dominate    CaCO3flux  (35-­‐50%)    Largest  relaMve    difference  in  pteropod  flux      Excess  PIC  fluxes  >  excess  POC  fluxes  in    all  fracMons  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

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Foraminifer  dominate    CaCO3flux  (35-­‐50%)    Largest  relaMve    difference  in  pteropod  flux      Excess  PIC  fluxes  >  excess  POC  fluxes  in    all  fracMons  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

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Foraminifer  dominate    CaCO3flux  (35-­‐50%)    Largest  relaMve    difference  in  pteropod  flux      Excess  PIC  fluxes  >  excess  POC  fluxes  in    all  fracMons  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

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Foraminifer  dominate    CaCO3flux  (35-­‐50%)    Largest  relaMve    difference  in  pteropod  flux      Excess  PIC  fluxes  >  excess  POC  fluxes  in    all  fracMons  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

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Foraminifer  dominate    CaCO3flux  (35-­‐50%)    Largest  rela/ve    difference  in  pteropod  flux      Excess  PIC  fluxes  >  excess  POC  fluxes  in    all  fracMons  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

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Foraminifer  dominate    CaCO3flux  (35-­‐50%)    Largest  relaMve    difference  in  pteropod  flux      Excess  PIC  fluxes  >  excess  POC  fluxes  in    all  fracMons  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

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N.  Pachyderma  dominate  foram-­‐CaCO3  fracMon    Larger  species  more  important  at  iron  ferMlized  site    Changes  in  foram-­‐CaCO3:  (i)  increase  producMon  (ii)  assemblage  shiRs            

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

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INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

(1)   How  are  CaCO3  fluxes  distributed  across    different  calcifying  groups?      (2)  How  significant  is  the  carbonate  counter  pump    for  iron-­‐ferMlized  sequestraMon  of  atmospheric  CO2?  

Page 22: natural)iron)fer/liza/on)in)the)Polar)Frontal)) Zone) · Atmosphere Surface Ocean Deep-Ocean CO 2 (i) Removal of CO 2 plankton POC export – biological carbon pump (ii) Production

Atmosphere

Surface Ocean

Deep-Ocean

CO2

(i) Removal of CO2 plankton POC export – biological carbon pump

(ii) Production of CaCO3 above ventilation depth - conservative Ventilation

depth (iii) POC:PIC ratio

(v) Ψ = CO2 released:CaCO3 precipitated

No correction For dissolution

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

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Atmosphere

Surface Ocean

Deep-Ocean

CO2

(i) Removal of CO2 plankton POC export – biological carbon pump

(ii) Production of CaCO3 above ventilation depth - conservative Ventilation

depth (iii) POC:PIC ratio

(v) Ψ = CO2 released:CaCO3 precipitated

No correction For dissolution

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

1.  {[(gross  CO2  sink)-­‐(net  CO2  sink)]/(gross  CO2  sink)}*  100  2.  Gross  CO2  sink=  (FPOCWML)  3.  Net  CO2  sink  =  [(FPOCWML)  -­‐  (FPICWML  x  Ψ  )    

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Expressed  as  %  reducMon  in  deep-­‐ocean  CO2  storage    CCP  effect:  6-­‐32%  in  [+Fe]  region                                              1-­‐4%  in  [HNLC]  region          

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

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Importance  of  bloom  locaMon    SAF  transiMon  from  Si  to  CaCO3  dominated  producMon/export    Si:PIC  raMos  characterisMc  of  PFZ    

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  SI  

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   [+Fe]  PFZ  unique  :  opal  dominated  export,  excess  PIC  over  POC  fluxes    CCP  due  to  increases  in  PIC  producMon/transport  relaMve  to  both  Si  and  POC              

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Southern  Ocean  data  compila)on  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

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   [+Fe]  PFZ  unique  :  opal  dominated  export,  excess  PIC  over  POC  fluxes    CCP  due  to  increases  in  PIC  producMon/transport  relaMve  to  both  Si  and  POC              

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Southern  Ocean  data  compila)on  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

Opal  

CaCO3  

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   [+Fe]  PFZ  unique  :  opal  dominated  export,  excess  PIC  over  POC  fluxes    CCP  due  to  increases  in  PIC  producMon/transport  relaMve  to  both  Si  and  POC              

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Southern  Ocean  data  compila)on  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

Opal  

CaCO3  

POC  PIC  

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   [+Fe]  PFZ  unique  :  opal  dominated  export,  excess  PIC  over  POC  fluxes    CCP  due  to  increases  in  PIC  producMon/transport  relaMve  to  both  Si  and  POC              

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Southern  Ocean  data  compila)on  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

Opal  

CaCO3  

POC  PIC  

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   [+Fe]  PFZ  unique  :  opal  dominated  export,  excess  PIC  over  POC  fluxes    CCP  due  to  increases  in  PIC  producMon/transport  relaMve  to  both  Si  and  POC              

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Southern  Ocean  data  compila)on  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

Opal  

CaCO3  

POC  PIC  

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   [+Fe]  PFZ  unique  :  opal  dominated  export,  excess  PIC  over  POC  fluxes    CCP  due  to  increases  in  PIC  producMon/transport  relaMve  to  both  Si  and  POC              

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Southern  Ocean  data  compila)on  

Salter  et  al.  2014  Nat.  Geosci.  

Opal  

CaCO3  

POC  PIC  

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SUMMARY  and  Acknowledgements  

[+Fe]  enhances  CaCO3  flux  in  PFZ    Foraminifer  dominant  CaCO3  flux  fracMon    EffecMve  CO2  transfer  by  BCP  may  be  reduced  10-­‐30%    POC:PIC  <  1  in  Si:PIC>1  unique  to  polar  frontal  zone  iron  ferMlizaMon  

Further  Acknowledgments  -­‐  Raymond  Pollard  (NOC)  -­‐  Richard  Sanders  (NOC)      

Thank  you  for  your  a_en/on  

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Test-­‐size  distribuMons    Size-­‐normalized  test  weights      Foram-­‐CaCO3  flux  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

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LGM  increases  in  export  occurred  in  sub-­‐antarcMc  zone    Increases  in  OC  export  were  possibly  accompanied  by  a  strengthened  carbonate  counter  pump    Decreased  significance  of  BCP  for  regulaMng  glacial  Interglacial  tranisiMons  in  atmospheric  CO2    

Kohfeld  et  al.  2005  Science  

MarMnez-­‐Garcia  et  al.  2014  Science  

INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

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INTRODUCTION          AIMS                METHODS                    RESULTS  &  DISCUSSION  

Southern  Ocean  data-­‐set  compiled      Classified  in  rela/on  to  frontal  posi/on  

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-­‐6  

-­‐4  

-­‐2  

0  

2  

4  

6  

8  

10  

12  

14  

Increase  with  depth  

POC:PIC  Increase  with  depth  

72%  

28%  

POC:PIC  increase  with  depth  

POC:PIC  decrease  with  depth  

POC:PIC  CHANGES  WITH  DEPTH  FROM  MULTI-­‐TRAP  DEPTH  MOORINGS