Dissolved organic matter in sea ice

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-68391-0-3
Title: Dissolved organic matter in sea ice;
from biogeochemical processes during ice formation to bio-optical modelling
Author: Müller, Susann
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015-08-21
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-68391-0-3
http://hdl.handle.net/10138/155620
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Biogeochemical processes in sea ice and the ice-water interface depend on abiotic processes and biological activity. Abiotic processes in sea ice are controlled by the crystallization process of freezing water and the associated formation of saline brine. Also the heat budget of sea ice and the resulting changes in abiotic properties such as porosity and salinity need to be taken into account. The dissolved fraction of sea ice brines contain ions and dissolved organic matter (DOM). Ions are rejected from the ice by diffusion and gravity drainage whereas dissolved organic matter with highly complex and diverse chemical composition can react in many ways with other molecules and surfaces. Hence, the present work compares the behavior of different fractions of DOM to the ones of salts during initial sea ice formation. Controlled tank studies were combined with natural sea ice sampling to exclude the disadvantages of both systems such as the effects of small-scale experiments, artificial additions in tank experiments and the unknown history of natural samples. The studies were conducted with brackish sea ice from the Baltic Sea with its high nutrient and DOM concentrations, but also with oceanic sea ice from the North Sea and the Arctic Ocean. This allows a general conclusion about the behavior of solutes during the formation of sea ice. The present studies indicate that the major seawater ions are significantly fractionated due to differential diffusion and coupled diffuse-convective salt transport through the brine channel network. Ions with a lower diffusivity than Cl¯, in this study SO42¯, Ca+ and Mg2+, remained longer in the brine channel network and got therefore enriched in sea ice relative to Cl¯. K+, on the other hand, diffused faster than Cl¯ and was depleted in sea ice in this study. The behavior of DOM in sea ice was more complex compared to ions because of the complex structure of DOM and the effect of secondary processes on DOM, such as biological production and degradation in sea ice. The quantification of DOM is challenging since only certain fractions such as chromophoric DOM can be measured instead of estimating the total concentration of DOM. Nevertheless, the present studies on DOM in sea ice from Baltic and North Sea water indicated enrichment of DOM compared to sea water ions. The magnitude of this enrichment was higher than expected from diffusion and convection following the transport of salts. The enrichment varied among DOM fractions with highest enrichment of amino-acid like DOM and lowest enrichment of humic-like substances. The results therefore suggest that additional processes, such as selective drainage that depends on the chemical properties of the DOM molecules, affect the enrichment of DOM in sea ice. The optical properties of sea ice were used to develop a bio-optical model. The model estimates the primary production in Baltic Sea ice based on the absorption by particles and chromophoric DOM and the quantum yield for C fixation calculated from photosynthesis-irradiance curves. The results were compared to in situ primary production measurements. The combination of modelled primary production estimates and the measurements of optical properties and primary production in different types of Baltic Sea ice gave a good overview over bio-optical properties in Baltic Sea ice and can be used as a tool to improve different parameters of ecosystem models.Merijään abioottiset tekijät säätelevät biologista aktiivisuutta, jotka vaikuttavat biogeokemiallisiin kiertoihin itse jäässä sekä jään ja meriveden rajapinnalla. Näihin abioottisiin tekijöihin kuuluvat meriveden jäätyminen ja sen suolojen väkevöityminen merijään huokosiin. Jään lämpöbudjetin perustella määräytyvä lämpötila säätelee jään huokoisuutta ja huokosveden suolaisuutta Huokosvesi sisältää liuenneita epäorgaanisia ioneja sekä liuennutta orgaanista ainetta. Diffuusio tai painovoima voivat poistaa ioneja ja liuennutta orgaanista ainetta jäästä. Liuenneen orgaanisen aineen kemiallinen rakenne on monimuotoinen ja se voi lisäksi reagoida pintojen ja muiden molekyylien kanssa. Tässä väitöskirjassa verrataan liuenneen orgaanisen aineen eri jakeiden käyttäytymistä meriveden suoloihin nähden meriveden jäätyessä. Tätä tukittiin jäädyttämällä merivettä tunnetuissa oloissa altaissa, jolloin jään ikä ja sen kasvuolosuhteen tunnettiin tarkasti, mutta myös luonnon merijäästä, jolloin voitiin arvioida allaskokeiden luotettavuutta. Kohteena oli Itämeren murtovesi, jossa ravinteita ja liuennutta orgaanista ainetta on paljon, sekä Pohjanmeri että Jäämeri. Valitsemalla tutkimusalueet erityyppisistä ympäristöistä haluttiin tehdä yleispäteviä huomioita meriveteen liuenneiden aineiden käyttäytymisestä veden jäätyessä. Väitöskirjassa havaittiin merijään ionikoostumuksen poikkeavan meriveden ionikoostumuksesta, sillä diffuusio ja siihen yhdistyvät kovektiovirtaukset merijään huokosverkostossa kuljettavat meriveden pääioneja eri tavoin. Kloridi-ionia (Cl-) hitaammin diffundoituvat sulfaatti (SO42-), kalsium (Ca2+) ja magnesium (Mg2+) rikastuivat merijäähän enemmän kuin kloridi-ionit. Vastaavasi kloridi-ionia nopeammin diffudoituvaa kalium-ionia (K+) esiintyi merijäässä suhteellisesti vähemmän kuin kloridi-ionia. Liuennut orgaaninen aine käyttäytyi monimuotoisemmin kuin epäorgaaniset ionit. Sen käyttäytymiseen vaikuttavat liuenneen orgaanisen aineen kemiallinen minimuotoisuus, biologinen tuotanto ja hajotus merijäässä. Liuennutta orgaanista ainetta on hankala mitata kokonaisvaltaisesti, siksi määritin liuenneen orgaanisen pitoisuutta mittaamalla sen tiettyjä jakeita kuten värillistä liuennutta orgaanista ainetta. Näiden mittausten mukaan Itä- ja Pohjanmeren liuennut orgaaninen aine rikastuu merijäähän suhteessa meriveden epäorgaanisiin ioneihin. Eniten rikastuivat aminohappo-tyyppinen liuennut orgaaninen aine ja vähiten humuksen kaltaiset osat. Tuloksista voidaan päätellä, että liuenneen orgaanisen aineen koostumus merijäässä riippuu sen kemiallisesta koostumuksesta ja koostumuksen määrittyminen on monimuotoisempaa kuin epäorgaanisten ioneiden. Väitöskirjatyössä kehitettiin bio-optinen malli perustuotannon arvioimiseksi merijään optisten ominaisuuksien perusteella. Malli perustuu partikkeleiden ja liuenneen orgaanisen aineen valon absorptioon ja hiilen sidonnan kvanttitehokkuuteen, joka määritettiin mittaamalla fotosynteesiin määrää valon eri intensiteeteissä. Bio-optisen mallin tuloksia verrattiin jäässä in situ tapahtuneisiin perustuotanto mittauksiin. Itämeren jäässä tehtyjen optisten mittausten sekä niihin perustuvan bio-optisen mallin avulla arvioitiin perustuotannon määrää vaihtelevissa jääolosuhteissa. Kehitetyn bio-optisen mallin avulla pystytään parantamaan perustuotannon määrittämistä merijään ekosysteemin toimintaa kuvaavissa malleissa
Subject: Marine Biogeochemistry
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
Dissolv.pdf 1.306Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record