Correlations between the satellite-derived seasonal cycle of phytoplankton biomass and aerosol optical depth in the Southern Ocean: Evidence for the influence of sea ice

The relationship between the production of dimethylsulfide (DMS) in the upper ocean and atmospheric sulfate aerosols has been confirmed through local shipboard measurements, and global modeling studies alike. In order to examine whether such a connection may be recoverable in the satellite record, we have analyzed the correlation between mean surface chlorophyll (CHL) and aerosol optical depth (AOD) in the Southern Ocean, where the marine atmosphere is relatively remote from anthropogenic and continental influences. We carried out the analysis in 5-degree zonal bands between 50 degrees S and 70 degrees S, for the period ( 1997 - 2004), and in smaller meridional sectors in the Eastern Antarctic, Ross and Weddell seas. Seasonality is moderate to strong in both CHL and AOD signatures throughout the study regions. Coherence in the CHL and AOD time series is strong in the band between 50 degrees S and 60 degrees S, however this synchrony is absent in the sea-ice zone (SIZ) south of 60 degrees S. Marked interannual variability in CHL occurs south of 60 degrees S, presumably related to variability in sea-ice production during the previous winter. We find a clear latitudinal difference in the cross correlation between CHL and AOD, with the AOD peak preceding the CHL bloom by up to 6 weeks in the SIZ. This suggests that substantial trace gas emissions ( aerosol precursors) are being produced over the SIZ in spring ( October - December) as sea ice melts. This hypothesis is supported by field data that record extremely high levels of sulfur species in sea ice, surface seawater, and the overlying atmosphere during ice melt.

Dimethylsulphide (DMS), dimethylsulphonioproionate (DMSP) and halocarbon concentrations taken from 25m integrated samples during the 2011 SOPRAN Bergen Raunefjord Mesocosm experiment, Norway

The human-induced rise in atmospheric carbon dioxide since the industrial revolution has led to increasing oceanic carbon uptake and changes in seawater carbonate chemistry, resulting in lowering of surface water pH. In this study we investigated the effect of increasing CO2 partial pressure (pCO2) on concentrations of volatile biogenic dimethylsulfide (DMS) and its precursor dimethylsulfoniopropionate (DMSP), through monoculture studies and community pCO2 perturbation. DMS is a climatically important gas produced by many marine algae: it transfers sulfur into the atmosphere and is a major influence on biogeochemical climate regulation through breakdown to sulfate and formation of subsequent cloud condensation nuclei (CCN). Overall, production of DMS and DMSP by the coccolithophore Emiliania huxleyi strain RCC1229 was unaffected by growth at 900 µatm pCO2, but DMSP production normalised to cell volume was 12 % lower at the higher pCO2 treatment. These cultures were compared with community DMS and DMSP production during an elevated pCO2 mesocosm experiment with the aim of studying E. huxleyi in the natural environment. Results contrasted with the culture experiments and showed reductions in community DMS and DMSP concentrations of up to 60 and 32 % respectively at pCO2 up to 3000 µatm, with changes attributed to poorer growth of DMSP-producing nanophytoplankton species, including E. huxleyi, and potentially increased microbial consumption of DMS and dissolved DMSP at higher pCO2. DMS and DMSP production differences between culture and community likely arise from pH affecting the inter-species responses between microbial producers and consumers.

Impacts des dépositions atmosphériques de fer sur les assemblages phytoplanctoniques et la production de diméthylsulfure dans le Pacifique Nord-Est contemporain et dans le contexte de l’acidification des océans

La croissance du phytoplancton est limitée par les faibles concentrations de fer (Fe) dans près de 40% de l’océan mondial. Le Pacifique subarctique Nord-Est représente une de ces zones limitées en fer et désignées High Nutrient - Low Chlorophyll (HNLC). Cet écosystème, dominé par des cellules de petite taille telles les prymnésiophytes, est caractérisé par de très faibles concentrations estivales de chlorophylle a et de fortes concentrations de macronutriments. Il a été maintes fois démontré que les ajouts de fer, sous différentes formes chimiques (habituellement FeSO4), dans les zones HNLC, stimulent la croissance et modifient la structure des communautés planctoniques en favorisant la croissance des cellules de grande taille, notamment les diatomées. Ces effets sur la communauté planctonique ont le potentiel d’influencer les grands mécanismes régulateurs du climat, tels la pompe biologique de carbone et la production de diméthylsulfure (DMS). Les poussières provenant des déserts du nord de la Chine sont reconnues depuis longtemps comme une source sporadique importante de fer pour le Pacifique Nord-Est. Malgré leur importance potentielle, l’influence directe exercée par ces poussières sur l’écosystème planctonique de cette zone HNLC n’a jamais été étudiée. Il s’agit d’une lacune importante puisque le fer associé aux poussières est peu soluble dans l’eau de mer, que la proportion biodisponible n’est pas connue et que les poussières peuvent avoir un effet inhibiteur chez le phytoplancton. Cette thèse propose donc, dans un premier temps, de mesurer pour la première fois l’effet de la fertilisation de la communauté planctonique du Pacifique Nord-Est par un gradient de concentrations de poussières désertiques naturelles. Cette première expérimentation a démontré que le fer contenu dans les poussières asiatiques est biodisponible et qu’une déposition équivalente à celles prenant place au printemps dans le Pacifique Nord-Est peut résulter en une stimulation significative de la prise de nutriments et de la croissance du phytoplancton. Mes travaux ont également montré que l’ajout de 0,5 mg L-1 de poussières peut résulter en la production d’autant de biomasse algale que l’ajout de FeSO4, l’espèce chimique utilisée lors des expériences d’enrichissement en fer à grande échelle. Cependant, les ajouts de FeSO4 favorisent davantage les cellules de petite taille que les ajouts de poussières, observation démontrant que le FeSO4 n’est pas un proxy parfait des poussières asiatiques. Dans un deuxième temps, je me suis intéressée à une source alternative de fer atmosphérique, les cendres volcaniques. Mon intérêt pour cette source de fer a été attisé par les observations d’une floraison spectaculaire dans le Pacifique Nord-Est, ma région d’étude, associée à l’éruption de 2008 du volcan Kasatochi dans les îles Aléoutiennes. Forte de mon expérience sur les poussières, j’ai quantifié l’effet direct de ces cendres volcaniques sur la communauté planctonique du Pacifique Nord-Est. Mes résultats ont montré que le fer contenu dans les cendres volcaniques est également biodisponible pour le phytoplancton. Ils ont également montré que cette source de fer peut être aussi importante que les poussières désertiques dans la régulation de la croissance du phytoplancton dans cette partie de l’océan global à l’échelle millénaire. Dans un troisième temps, j’ai estimé comment l’acidification des océans modulera les réponses des communautés planctoniques aux dépositions naturelles de fer mises en évidence lors de mes expériences précédentes. Pour ce faire, j’ai effectué des enrichissements de poussière dans de l’eau de mer au pH actuel de 8.0 et dans l’eau de mer acidifiée à un pH de 7.8. Mes résultats ont montré une diminution du taux de croissance du phytoplancton dans le milieu acidifié mais pas de changement notable dans la structure de la communauté. Les ajouts de poussières et de cendres, de même que les variations de pH, n’ont pas eu d’effet significatif sur la production de DMS et de son précurseur le diméthylsulfoniopropionate (DMSP), probablement en raison de la courte durée (4 jours) des expériences. L’ensemble des résultats de cette thèse montre que le fer contenu dans diverses sources atmosphériques naturelles est biodisponible pour le phytoplancton du Pacifique Nord-Est et que des taux de déposition réalistes peuvent stimuler la croissance de manière notable dans les premiers jours suivant une tempête désertique ou une éruption volcanique. Finalement, les résultats de mes expériences à stresseurs multiples Fer/acidification suggèrent une certaine résistance des communautés phytoplanctoniques à la diminution du pH prédite d’ici la fin du siècle pour les eaux de surface des océans.