Air-sea exchange of carbon dioxide at the island of Utö in the Baltic Sea
| Title: | Air-sea exchange of carbon dioxide at the island of Utö in the Baltic Sea |
| Author(s): | Honkanen, Martti |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics |
| Discipline: | Geophysics |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2017 |
| Abstract: |
Carbon dioxide is a key compound both in climate change and marine biological productivity. In the oceans, the sea-air exchange of carbon dioxide is driven by large-scale currents and changes in solubility, whereas in coastal seas, such as the Baltic Sea, biological activity has a significant effect on the aquatic carbonate system. However, direct measurements of the sea-air exchange of carbon dioxide are difficult to carry out due to the small magnitude of the fluxes, waves, sea ice and sea spray that influence sensitive instruments. Eddy covariance method is a widely used direct method for measuring the fluxes of carbon dioxide. The sea-air fluxes of carbon dioxide are also commonly calculated using a parametrization based on wind speed.
Finnish Marine Institute in collaboration with Finnish Environment Institute began to construct a new atmospheric and marine research station on Utö in the Archipelago Sea in 2012. The objective of this study is to determine the suitability of the new station to measure air-sea exchange of carbon dioxide and aquatic carbonate system. The air-sea fluxes of carbon dioxide were measured with three infrared gas analyzer set-ups during October-December 2016, and the fluxes were also calculated using a parametrization of gas transfer velocity. The aquatic carbonate system of the surface water during July-October 2016 was studied using dissolved carbon dioxide concentration and pH of the seawater measured in a flow-through pumping system. The dissolved carbon dioxide concentration was measured by using an equilibration chamber together with an infrared gas analyzer.
The micrometeorological tower erected on the shore can be applied for measuring the sea-air fluxes of carbon dioxide in an open sea wind sector, which was determined based on the roughness length. The closed-path infrared gas analyzer (Licor LI-7000) works well in the hard coastal conditions, whereas an open-path analyzer (Licor LI-7500) had difficulties in measuring fluxes during showers and high relative humidity. The Pearson correlation coefficient between the fluxes measured with two closed-path gas analyzer set-ups was 0.91. The flux calculated using a parametrization of gas transfer velocity showed only a small correlation with the measured flux, with a Pearson correlation coefficient of 0.13. The flow-through pumping system can be used to calculate the components of the aquatic inorganic carbonate system. The measured pH was linked to the dissolved carbon dioxide concentration of the sea water. Additionally, it was discovered that the LI-7000 is sensitive to changes in instrument temperature.
Hiilidioksidi on tärkeä yhdiste sekä ilmastonmuutoksen että meren perustuotannon kannalta. Valtamerien ja ilmakehän välistä hiilidioksidinvaihtoa ohjaa suurimittaiset virtaukset ja liukoisuuden muutokset, kun taas rannikkomerillä, kuten Itämerellä, hiilen kiertokulkuun vaikuttaa merkittävästi biologinen aktiivisuus. Meren ja ilmakehän välisen hiilidioksidivuon mittaaminen on kuitenkin haastavaa johtuen vuon pienuudesta, aalloista, jäästä ja vesiroiskeista. Pyörrekovarianssimenetelmä on laajalti käytetty menetelmä hiilidioksidivuon mittaamiseeen. Meren ja ilmakehän välistä hiilidioksidivuota usein lasketaan myös käyttäen tuulennopeuteen perustuvaa parametrisaatiota.
Ilmatieteen laitos ja Suomen ympäristökeskus aloittivat uuden merentutkimusaseman rakentamisen Utön saarelle Saaristomerelle vuonna 2012. Tämän tutkimuksen tavoitteena on määrittää aseman laitteiston soveltuvuus hiilidioksidivuomittauksiin ja vedenalaisen karbonaattijärjestelmän tutkimiseen. Meren ja ilmakehän välistä hiilidioksidivuota mitattiin loka-joulukuussa 2016 kolmella infrapunakaasuanalysaattorilla, minkä lisäksi vuo laskettiin käyttämällä parametrisaatiota kaasunvaihtokertoimelle. Pintaveden karbonaattijärjestelmää heinä-lokakuussa 2016 tutkittiin mittaamalla liuennutta hiilidioksidikonsentraatiota ja pH:ta läpivirtauslaitteistossa. Liuenneen hiilidioksidin konsentraatio mitattiin käyttämällä tasapainotuskammiota ja infrapunakaasuanalysaattoria.
Rannalle pystytetyllä vuomastolla voidaan mitata ilmakehän ja meren välistä hiilidioksidivuota käyttämällä avomerta vastaavia tuulensuuntia, jotka tässä tutkielmassa määritettiin pinnan rosoisuuden mukaan. Suljettu kaasuanalysaattori (Licor LI-7000) toimii haastavissa rannikko-olosuhteissa, kun taas avonaisella kaasuanalysaattorilla (Licor LI-7500) oli vaikeuksia toimia sateen ja korkean suhteellisen kosteuden aikana. Pearsonin korrelaatiokerroin kahden suljetun kaasuanalysaattorin välillä oli 0.91. Parametrisaatiolla laskettu vuo korreloi vain heikosti mitattujen voiden kanssa korrelaatiokertoimen ollessa 0.13. Läpivirtauslaitteistolla voidaan mitata vedenalaisen epäorgaanisen hiilen järjestelmää. Mitattu pH ja liuennut hiilidioksikonsentraatio olivat yhteydessä toisiinsa. Lisäksi osoittautui, että LI-7000 on herkkä mittalaitteen sisäisen lämpötilan muutoksille.
|
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| gradu_martti_honkanen.pdf | 5.673Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4203]