An approach for particle sinking velocity measurements in the 3-400 µm size range and considerations on the effect of temperature on sinking rates

The flux of organic particles below the mixed layer is one major pathway of carbon from the surface into the deep ocean. The magnitude of this export flux depends on two major processes-remineralization rates and sinking velocities. Here, we present an efficient method to measure sinking velocities of particles in the size range from approximately 3-400 µm by means of video microscopy (FlowCAM®). The method allows rapid measurement and automated analysis of mixed samples and was tested with polystyrene beads, different phytoplankton species, and sediment trap material. Sinking velocities of polystyrene beads were close to theoretical values calculated from Stokes' Law. Sinking velocities of the investigated phytoplankton species were in reasonable agreement with published literature values and sinking velocities of material collected in sediment trap increased with particle size. Temperature had a strong effect on sinking velocities due to its influence on seawater viscosity and density. An increase in 9 °C led to a measured increase in sinking velocities of 40 %. According to this temperature effect, an average temperature increase in 2 °C as projected for the sea surface by the end of this century could increase sinking velocities by about 6 % which might have feedbacks on carbon export into the deep ocean.

Surface velocity and ice discharge of the ice cap on King George Island, Antarctica

Glaciers on King George Island, Antarctica, have shown retreat and surface lowering in recent decades, concurrent with increasing air temperatures. A large portion of the glacier perimeter is ocean-terminating, suggesting possible large mass losses due to calving and submarine melting. Here we estimate the ice discharge into the ocean for the King George Island ice cap. L-band synthetic aperture radar images covering the time-span January 2008 to January 2011 over King George Island are processed using an intensity-tracking algorithm to obtain surface velocity measurements. Pixel offsets from 40 pairs of radar images are analysed and inverted to estimate a weighted average surface velocity field. Ice thicknesses are derived from simple principles of ice flow mechanics using the computed surface velocity fields and in situ thickness data. The maximum ice surface speeds reach mayor que 225 m/yr, and the total ice discharge for the analysed flux gates of King George Island is estimated to be 0.720+/-0.428 Gt/yr, corresponding to a specific mass loss of 0.64+/-0.38 m w.e./yr over the area of the entire ice cap (1127 km2).

Surface velocity fields, digital elevation models and ice front positions derived from multi-mission SAR remote sensing data at Sjögren Inlet glaciers, Antarctic Peninsula

Substantial retreat or disintegration of numerous ice shelves have been observed on the Antarctic Peninsula. The ice shelf in the Prince Gustav Channel retreated gradually since the late 1980's and broke-up in 1995. Tributary glaciers reacted with speed-up, surface lowering and increased ice discharge, consequently contributing to sea level rise. We present a detailed long-term study (1993-2014) on the dynamic response of Sjögren Inlet glaciers to the disintegration of Prince Gustav Ice Shelf. We analyzed various remote sensing datasets to observe the reactions of the glaciers to the loss of the buttressing ice shelf. A strong increase in ice surface velocities was observed with maximum flow speeds reaching 2.82±0.48 m/d in 2007 and 1.50±0.32 m/d in 2004 at Sjögren and Boydell glaciers respectively. Subsequently, the flow velocities decelerated, however in late 2014, we still measured about two times the values of our first measurements in 1996. The tributary glaciers retreated 61.7±3.1 km² behind the former grounding line of the ice shelf. In regions below 1000 m a.s.l., a mean surface lowering of -68±10 m (-3.1 m/a) was observed in the period 1993-2014. The lowering rate decreased to -2.2 m/a in recent years. Based on the surface lowering rates, geodetic mass balances of the glaciers were derived for different time steps. High mass loss rate of -1.21±0.36 Gt/a was found in the earliest period (1993-2001). Due to the dynamic adjustments of the glaciers to the new boundary conditions the ice mass loss reduced to -0.59±0.11 Gt/a in the period 2012-2014, resulting in an average mass loss rate of -0.89±0.16 Gt/a (1993-2014). Including the retreat of the ice front and grounding line, a total mass change of -38.5±7.7 Gt and a contribution to sea level rise of 0.061±0.013 mm were computed. Analysis of the ice flux revealed that available bedrock elevation estimates at Sjögren Inlet are too shallow and are the major uncertainty in ice flux computations. This temporally dense time series analysis of Sjögren Inlet glaciers shows that the adjustments of tributary glaciers to ice shelf disintegration are still going on and provides detailed information of the changes in glacier dynamics.

Muscle fiber conduction velocity of the upper trapezius muscle during dynamic contraction of the upper limb in patients with chronic neck pain

The purpose of this study was to compare average muscle fiber conduction velocity (CV) and its changes over time in the upper trapezius muscle during a repetitive upper limb task in people with chronic neck pain and in healthy controls. Surface EMG signals were detected bilaterally from the upper trapezius muscle of 19 patients and nine healthy controls using linear adhesive arrays of four electrodes. Subjects were asked to tap their hands in a cyclic manner between targets positioned mid-thigh and 120 degrees of shoulder flexion, to the beat of a metronome set at 88 beats/min for up to 5 min. Muscle fiber CV and instantaneous mean power spectral frequency were estimated for each cycle at the time instant corresponding to 90 degrees of shoulder flexion. Average muscle fiber CV of the upper trapezius muscle was higher in people with chronic neck pain (mean +/- SE, 4.8 +/- 0.1 m/s) than in control subjects (4.4 +/- 0.1 m/s; P

Seawater carbonate chemistry and its effects on properties and sinking velocity of aggregates of the coccolithophore Emiliania huxleyi, 2010

Coccolithophores play an important role in organic matter export due to their production of the mineral calcite that can act as ballast. Recent studies indicated that calcification in coccolithophores may be affected by changes in seawater carbonate chemistry. We investigated the influence of CO2 on the aggregation and sinking behaviour of the coccolithophore Emiliania huxleyi (PML B92/11) during a laboratory experiment. The coccolithophores were grown under low (~180 µatm), medium (~380 µatm), and high (~750 µatm) CO2 conditions. Aggregation of the cells was promoted using roller tables. Size and settling velocity of aggregates were determined during the incubation using video image analysis. Our results indicate that aggregate properties are sensitive to changes in the degree of ballasting, as evoked by ocean acidification. Average sinking velocity was highest for low CO2 aggregates (~1292 m d-1) that also had the highest particulate inorganic to particulate organic carbon (PIC/POC) ratio. Lowest PIC/POC ratios and lowest sinking velocity (~366 m d-1) at comparable sizes were observed for aggregates of the high CO2 treatment. Aggregates of the high CO2 treatment showed a 4-fold lower excess density (~4.2*10**-4 g cm**-3) when compared to aggregates from the medium and low CO2 treatments (~1.7 g*10**-3 cm**-3). We also observed that more aggregates formed in the high CO2 treatment, and that those aggregates contained more bacteria than aggregates in the medium and low CO2 treatment. If applicable to the future ocean, our findings suggest that a CO2 induced reduction of the calcite content of aggregates could weaken the deep export of organic matter in the ocean, particularly in areas dominated by coccolithophores.

GPS inferred velocity and strain rate fields in eastern Canada

La vallée du fleuve Saint-Laurent, dans l’est du Canada, est l’une des régions sismiques les plus actives dans l’est de l’Amérique du Nord et est caractérisée par de nombreux tremblements de terre intraplaques. Après la rotation rigide de la plaque tectonique, l’ajustement isostatique glaciaire est de loin la plus grande source de signal géophysique dans l’est du Canada. Les déformations et les vitesses de déformation de la croûte terrestre de cette région ont été étudiées en utilisant plus de 14 ans d’observations (9 ans en moyenne) de 112 stations GPS fonctionnant en continu. Le champ de vitesse a été obtenu à partir de séries temporelles de coordonnées GPS quotidiennes nettoyées en appliquant un modèle combiné utilisant une pondération par moindres carrés. Les vitesses ont été estimées avec des modèles de bruit qui incluent les corrélations temporelles des séries temporelles des coordonnées tridimensionnelles. Le champ de vitesse horizontale montre la rotation antihoraire de la plaque nord-américaine avec une vitesse moyenne de 16,8±0,7 mm/an dans un modèle sans rotation nette (no-net-rotation) par rapport à l’ITRF2008. Le champ de vitesse verticale confirme un soulèvement dû à l’ajustement isostatique glaciaire partout dans l’est du Canada avec un taux maximal de 13,7±1,2 mm/an et un affaissement vers le sud, principalement au nord des États-Unis, avec un taux typique de −1 à −2 mm/an et un taux minimum de −2,7±1,4 mm/an. Le comportement du bruit des séries temporelles des coordonnées GPS tridimensionnelles a été analysé en utilisant une analyse spectrale et la méthode du maximum de vraisemblance pour tester cinq modèles de bruit: loi de puissance; bruit blanc; bruit blanc et bruit de scintillation; bruit blanc et marche aléatoire; bruit blanc, bruit de scintillation et marche aléatoire. Les résultats montrent que la combinaison bruit blanc et bruit de scintillation est le meilleur modèle pour décrire la partie stochastique des séries temporelles. Les amplitudes de tous les modèles de bruit sont plus faibles dans la direction nord et plus grandes dans la direction verticale. Les amplitudes du bruit blanc sont à peu près égales à travers la zone d’étude et sont donc surpassées, dans toutes les directions, par le bruit de scintillation et de marche aléatoire. Le modèle de bruit de scintillation augmente l’incertitude des vitesses estimées par un facteur de 5 à 38 par rapport au modèle de bruit blanc. Les vitesses estimées de tous les modèles de bruit sont statistiquement cohérentes. Les paramètres estimés du pôle eulérien de rotation pour cette région sont légèrement, mais significativement, différents de la rotation globale de la plaque nord-américaine. Cette différence reflète potentiellement les contraintes locales dans cette région sismique et les contraintes causées par la différence des vitesses intraplaques entre les deux rives du fleuve Saint-Laurent. La déformation de la croûte terrestre de la région a été étudiée en utilisant la méthode de collocation par moindres carrés. Les vitesses horizontales interpolées montrent un mouvement cohérent spatialement: soit un mouvement radial vers l’extérieur pour les centres de soulèvement maximal au nord et un mouvement radial vers l’intérieur pour les centres d’affaissement maximal au sud, avec une vitesse typique de 1 à 1,6±0,4 mm/an. Cependant, ce modèle devient plus complexe près des marges des anciennes zones glaciaires. Basées selon leurs directions, les vitesses horizontales intraplaques peuvent être divisées en trois zones distinctes. Cela confirme les conclusions d’autres chercheurs sur l’existence de trois dômes de glace dans la région d’étude avant le dernier maximum glaciaire. Une corrélation spatiale est observée entre les zones de vitesses horizontales intraplaques de magnitude plus élevée et les zones sismiques le long du fleuve Saint-Laurent. Les vitesses verticales ont ensuite été interpolées pour modéliser la déformation verticale. Le modèle montre un taux de soulèvement maximal de 15,6 mm/an au sud-est de la baie d’Hudson et un taux d’affaissement typique de 1 à 2 mm/an au sud, principalement dans le nord des États-Unis. Le long du fleuve Saint-Laurent, les mouvements horizontaux et verticaux sont cohérents spatialement. Il y a un déplacement vers le sud-est d’une magnitude d’environ 1,3 mm/an et un soulèvement moyen de 3,1 mm/an par rapport à la plaque l’Amérique du Nord. Le taux de déformation verticale est d’environ 2,4 fois plus grand que le taux de déformation horizontale intraplaque. Les résultats de l’analyse de déformation montrent l’état actuel de déformation dans l’est du Canada sous la forme d’une expansion dans la partie nord (la zone se soulève) et d’une compression dans la partie sud (la zone s’affaisse). Les taux de rotation sont en moyenne de 0,011°/Ma. Nous avons observé une compression NNO-SSE avec un taux de 3.6 à 8.1 nstrain/an dans la zone sismique du Bas-Saint-Laurent. Dans la zone sismique de Charlevoix, une expansion avec un taux de 3,0 à 7,1 nstrain/an est orientée ENE-OSO. Dans la zone sismique de l’Ouest du Québec, la déformation a un mécanisme de cisaillement avec un taux de compression de 1,0 à 5,1 nstrain/an et un taux d’expansion de 1.6 à 4.1 nstrain/an. Ces mesures sont conformes, au premier ordre, avec les modèles d’ajustement isostatique glaciaire et avec la contrainte de compression horizontale maximale du projet World Stress Map, obtenue à partir de la théorie des mécanismes focaux (focal mechanism method).

Savani: A variable resolution whole-mantle model of anisotropic shear velocity variations based on multiple data sets

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