Development and application of new model algorithms of the biological carbon pump in the north atlantic: a study on particle export, sinking and decomposition

Abstract

Kuzey Atlantik'te bulunan BATS, ESTOC ve PAP zaman serisi istasyonlarındaki üretimi, tür dağılımını ve gerçekleşen karbon dikey gönderimlerini yöneten prosesleri incelemek amacıyla NAGEM 1D alt trofik pelajik ekosistem modeli geliştirilmiştir. Her bir istasyon için tür dağılımının, parçacık çökme hızlarının, fiziksel ve biyolojik yığışımın, mineral balastın ve günlük dikey göçün karbon gönderimine etkileri araştırılmıştır. Simüle edilen karbon gönderimleri, istasyonlarda bulunan veri setleri ile karşılaştırılmış, ve model algoritmaları istasyonlardaki değişkenlikleri temsil edecek şekilde uyarlanmıştır. BATS ve ESTOC istasyonlarındaki 3-4 kat karbon gönderimi farkı, kısmi olarak istasyonlardaki farklı fiziki yapılar ile açıklanabilmektedir. BATS'taki görece daha derin ve uzun süreli dikey karışım verimli gönderime neden olmakta olup, ESTOC'taki yavaş çökelme mekanizmaları parçacıkların daha fazla ayrışma baskısı altında kalmasına neden olmaktadır. Model, tür dağılımının parçacık gönderiminin miktarına ve yapısına, inorganik besin tuzları bağlaşımının kesilmesinin tür dağılımına etkisini vurgulamıştır. Simüle edilen karbon gönderiminin parçacık hızlarındaki değişimlere çok hassas olduğu belirlenmiş olduğu halde sonuçlarda değişebilirlik düşük seviyelerde kalmıştır. Zamansal değişebilirlik, parçacık çökme hızlarının tür dağılımı etkileşimi ile gerçekleştirilebilmiştir. Tür dağılımı etkileşimleri sayesinde modelde zamansal ve bölgesel değişebilirlik elde edilmiş olup, görece büyük fitoplankton türlerini barındırabilen PAP istasyonunda artan parçacık gönderimine neden olmuştur. Parçacık yığışımı, mineral balast etkisi, tür dağılımı etkileşimi içeren ayrışma mekanizmaları ve günlük dikey göç, modelin gözlemelere daha iyi uymasını sağlamıştır.

A 1D lower trophic level pelagic ecosystem model, NAGEM, was developed to investigate processes moderating productivity, algal community structure and resulting carbon export at BATS, ESTOC and PAP time-series stations in the North Atlantic. At each site, the relative effects of community structure, sinking rates, physical and biological aggregation, mineral ballasting and diel vertical migration on carbon export were explored. Simulated carbon export rates were evaluated using in situ sediment trap data collected at the 3 time series stations and model algorithms were modified in order to best represent observed differences in export rates between stations. The observed 3-4 fold difference in carbon export between BATS and ESTOC is partially explained by differences in hydrographic conditions. The deeper and more prolonged vertical mixing at BATS results in efficient particle transport, whereas slower particle sinking at ESTOC results in a relatively higher remineralization pressure. This work highlighted the benefits of adequately describing plankton community structure in models to define the magnitude and structure of particle export and nutrient decoupling. Modelled carbon export was highly sensitive to changes in particle sinking rates, although these changes did not introduce variability in export. Temporal and spatial variability was achieved when specific sinking rates were assigned to detritus from each community. This resulted in relatively higher export efficiency at the PAP site due to the presence of larger plankton. Further improvements to model performance were achieved through adjusting aggregation, mineral ballasting, community specific remineralization rates and diel vertical migration of zooplankton.