Lake-atmosphere greenhouse gas exchange in relation to atmospheric forcing and lake biogeochemistry

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7091-21-0
Title: Lake-atmosphere greenhouse gas exchange in relation to atmospheric forcing and lake biogeochemistry
Author: Heiskanen, Jouni
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Greenhouse gas (GHG) emissions from lakes result from processes between the watershed, lake characteristics and the atmosphere. The organic matter loading from the watershed both provides carbon for the lake biota and in major part defines water clarity, which, in addition to wind and heat flux, is essential in thermocline formation. Thermal stratification suppresses the wind-induced momentum input to the surface water preventing effective mixing of gases throughout the water column. The lake biota process the organic matter, producing carbon dioxide (CO2) in oxic surface water and also methane (CH4) if the near-bottom water becomes anoxic, and thus influence the chemical properties of the water column. Finally, air-water GHG exchange occurs over a thin layer at the water surface. Lakes are typically supersaturated with CO2 and CH4 in relation to average atmospheric mixing ratios causing fluxes of these gases to the atmosphere. Even though lakes cover only 2 % of the world s land surface, it has been estimated that lakes release about 10 % of the carbon fixed annually by the terrestrial ecosystems back to the atmosphere. A critical parameter in the gas exchange estimates is the gas transfer velocity (k), which is governed by turbulence. The implementation of direct flux measurement using the eddy covariance (EC) technique allows the detailed measurements needed to estimate k. However, on lakes, the EC method is a novel subject and as of yet, there has been no published estimates of the error related to these measurements nor fully established set of accepted procedures. The aim of this thesis was to assess the current global CO2 evasion estimates from lakes to the atmosphere by comparing parameterizations for k and the significance of wind and heat flux to the gas transfer in small lakes. To improve future predictions of gas evasion from lakes, we focused on the changes in water clarity and how they affect water column physics and processes in the air-water interface. We used the EC method for the high precision data needed, and therefore also aimed to improve the EC methodology on lakes. The air-water gas transfer was related to both wind and heat loss during times of seasonal stratification, but only to wind during autumn overturn, and the mean value for k of CO2 was 6.0 cm h-1 in Lake Kuivajärvi. When wind-induced thermocline tilting and resulting spatial variability in surface water CO2 concentrations was accounted for, k derived from the measurements dropped to 5.2 cm h-1. This was still over twice the estimate (2.2 cm h-1) calculated with a widely used model for k in lakes suggesting that the global estimates of gas evasion from lakes might be underestimations. Unsolved question is that how important factor the thermocline tilting is in other lakes in defining spatial variability? Our results showed that k for CH4 was higher than for CO2, a result which has been reported in some other studies, but as of yet, no solid explanation has been found. Water clarity was a significant parameter defining the thermal stratification of the lake: a change from clear to dark water would lead to shorter stratification period and lower water column temperatures in small lakes and therefore have significant impact on the lake-atmosphere exchange processes. Important question is how changes is climate will affect lake water clarity e.g. via precipitation and runoff related DOC loading. We concluded that the EC method produces reliable results even in a small lake after rigorous data processing. After these procedures, about half of the CO2 and turbulent heat flux data were of good quality with relative random errors of 10 % and 26 % for heat and CO2 fluxes, respectively. When measuring GHG fluxes accurately from lakes, methods that integrate over time and space are a necessity. These will provide more detailed knowledge on the complex processes that contribute to the gas transfer, from large scale physical phenomena such as thermocline tilting to small scale such as near-surface turbulence. Since most of the world s lakes are small and in northern latitudes, our studies have wide implications even to the global level. Better understanding of the lake biogeochemistry will allow us to make more accurate estimates of GHG evasion from lakes in different regions as well as predictions of how the climate change will affect the lake-atmosphere GHG fluxes.Järvistä ilmakehään vapautuvien kasvihuonekaasujen (KHK) määrä riippuu valuma-alueen, järven ja ilmakehän välillä tapahtuvista prosesseista. Valuma-alueelta tuleva orgaaninen aines määrittää suurelta osin veden sameuden ja värin, jotka tuulen ja lämpövuon ohella vaikuttavat keskeisesti lämpötilan harppauskerroksen (termokliini) muodostumiseen. Lämpökerrostumisen vuoksi vain veden pintakerros on hyvin sekoittunutta, jolloin kasvihuonekaasuja pääsee kertymään alusveteen. Järven eliöstö hajottaa orgaanisen aineksen tuottaen hiilidioksidia (CO2), kun happea on saatavilla, ja jos alusvesi on hapetonta, lisäksi metaania (CH4). Näin eliöstö vaikuttaa myös vesipatsaan kemiaan. KHK:t vapautuvat lopulta ilmakehään ohuen pintakerroksen läpi. Järvet ovat tyypillisesti ylikyllästyneitä suhteessa ilmakehän CO2- ja CH4- osapaineeseen. Tällöin järvet ovat KHK:jen lähteitä. Vaikka maapallon pinta-alasta vain 2 % on järviä, nykyisten arvioiden mukaan järvistä vapautuu noin 10 % siitä hiilestä, jonka maaekosysteemit vuosittain sitovat. Kaasuvoita arvioitaessa kriittinen parametri on kaasunvaihtokerroin (k), joka on riippuvainen turbulenssista. Eddy kovarianssi -tekniikalla (EC) tehdyt suorat vuomittaukset mahdollistavat k:n tarkan arvioinnin. Järvillä EC:n käyttö on kuitenkin uutta, jonka vuoksi yleisesti hyväksyttyjä käytäntöjä ei ole vielä muodostunut eikä virhearvioita esitetty. Tämän työn tavoite oli arvioida nykyisiä globaaleja CO2-vuoarvioita järvistä ilmakehään vertailemalla eri k:n parametrisaatioita ja tuulen ja lämpövuon merkitystä pienten järvien kaasunvaihdossa. Tutkimme veden kirkkauden vaikutuksia vesipatsaan fysiikkaan ja vesi-ilmakehä-rajapinnan prosesseihin, mikä mahdollistaa tarkemmat tulevaisuuden ennusteet järvistä vapautuvista KHK:ista. Keräsimme aineistoa EC-menetelmällä ja yksi päämäärä oli kehittää EC-tekniikkaa järvillä. Veden ja ilmakehän välinen kaasunvaihto oli riippuvaista sekä tuulesta että lämpövuosta järven lämpökerrostumisen aikaan, mutta syystäyskierron aikana ainoastaan tuulesta. Tutkitulla Kuivajärvellä k:n keskiarvo oli 6.0 cm h-1. Tuuli aiheutti termokliinin kallistumista, jonka vuoksi pintaveden CO2-osapaineeseen muodostui alueellista vaihtelua. Kun tämä huomioitiin, mittauksista laskettu k:n keskiarvo laski 5.2 cm h-1:een. Tämäkin oli yli kaksinkertainen yleisesti käytössä olevan kaasunvaihtokerroinmallin antamaan arvoon verrattuna (2.2 cm h-1), jonka vuoksi globaalit arviot järvistä vapautuvista KHK:ista voivat olla aliarvioita. Lisäksi osoitimme, että CH4:n k oli suurempi kuin CO2:n tulos joka on havaittu eräissä muissakin tutkimuksissa, mutta jolle ei vielä ole löytynyt aukotonta selitystä. Veden kirkkaus oli keskeinen parametri, joka vaikutti järven lämpökerrostumiseen: kun pienen järven mallinnettiin muuttuvan kirkkaasta sameaksi, kerrostuneisuuskauden pituus lyheni ja vesipatsaan keskimääräinen lämpötila laski. Näillä tekijöillä oli merkittävää vaikutusta järven ja ilmakehän välisiin prosesseihin. Jatkossa tulisi tutkia, kuinka ilmastonmuutos vaikuttaa järvien sameuteen, kun sadanta ja siitä aiheutuva valunta ja ulkoinen kuormitus muuttuu. Tulostemme mukaan EC-menetelmä on luotettava pienillä järvillä, kun data käsitellään erittäin tarkoin laatukriteerein. Kuivajärvellä hyvälaatuiseksi luokiteltua CO2- ja turbulenttista lämpövuodataa jäi noin puolet, ja suhteelliset satunnaisvirheet olivat 10 % lämpövuolle ja 26 % CO2-vuolle. Kun halutaan mitata tarkasti järvien KHK-voita, pistemittausten sijasta tulisi käyttää menetelmiä, joissa mittaukset tehdään jatkuvasti ja suurelta pinta-alalta. Näin tuotettu tieto mahdollistaa kaasuvuohon vaikuttavien monimutkaisten prosessien tutkimisen, joita ovat niin suuret ilmiöt kuten termokliinin kallistuminen kuin pienen mittakaavan ilmiöt kuten pinnanläheinen turbulenssi. Valtaosa maailman järvistä sijaitsee pohjoisilla leveysasteilla ja sen vuoksi tuloksillamme on vaikutusta myös globaalilla tasolla. Järvien biogeokemian parempi ymmärtäminen tarkentaa KHK-vuoarvioita järvistä eri alueilla sekä järvien roolia ilmastonmuutoksessa.
URI: URN:ISBN:978-952-7091-21-0
http://hdl.handle.net/10138/154415
Date: 2015-06-05
Subject: fysikaalinen limnologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
lakeatmo.pdf 1.141Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record