Det fria vattnet 1 grundläggande förutsättningar, 7,5 hp, (MAR102) Introduktion: Kopplingen mellan biologi-fysik-kemi

Transkript

1 Det fria vattnet 1 grundläggande förutsättningar, 7,5 hp, (MAR102) Introduktion: Kopplingen mellan biologi-fysik-kemi

2 En förenklad bild av ämnens omsättning i det marina systemet

3 Eller om vi fokuserar på organiskt (levande och dött) material i havet Faktorer som påverkar fördelningen av organiskt material i havet

4 De kemiska föreningarnas ursprung är mineral på land CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H 2 CO 3 H + + HCO - 3 H + HCO 3 - Na + + Cl - NaCl Ca 2+ + SO 2-4 CaSO 4 Ca HCO 3- CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca 2+ + Mg HCO 3- CaMg(CO 3 ) H 2 O + 2CO 2 NaCl (halite) Na + + Cl - CaSO 4 (gypsum) Ca 2+ + SO 2-4 CaCO 3 + H + Ca 2+ + HCO - 3 CaMg(CO 3 ) 2 + 2H + Ca 2+ + Mg HCO - 3 SiO 2 Hydrothermal system H 2 S H 2 S CO 2 CO 2 SO 4 2- HCO 3 H + H + + Mg(OH)SiO 3 Mg 2+ metals Basalt + H + SO 4 2- FeS 2 + 2Fe 3 O SiO 2 + 2H 2 SO H Fe 2 SiO 4 Mineral precipitation Mg(OH)SiO 3 SiO 3 FeS 2 Fe 3 O 4

5 Log concentration / mol L -1 Alla grundämnen finns i havet men med olika koncentrationer, här i oceanernas djupvatten (logskala) Na Cl MgS KCa C B Li N F Si P Be Al Br Sr V Cr Ni Cu Mn Zn AS Se Fe Ge Sc Co Rb Mo Cd I Ba Cs LaNd Ag Ce Pr Sn Sm Gd Te Eu Tb Dy Yb Ho Er Tm Lu Pd Rh Tl Pb Hg Pt Bi U Atomic number

6 Den stora frågan när det gäller biologisk produktion är; hur stor är den och var sker den? Med andra ord; vilka är de begränsande faktorerna?

7 Kemiska grunden för produktion av levande material Oorganiskt molekyler Fotosyntes Organiska föreningar Levande material CO 2 H 2 O PO 4 3- solljus & energi omvandling ATP NADPH 2 Socker, Lipider, Fosforest. Celler NO 3 - Protein SiO 2 Skelett material CaCO 3 CO 2 + H 2 O CH 2 O(org) + O 2 CO 2 + H 2 O CH 2 (org) + 1.5O 2 CO 2 + HPO 4- + M 2+ CHPO 4 M(org) + O 2 2CO 2 + NO 3- + H + + H 2 O NHCH 2 CO(org) +3.5O 2 Si(OH) 4 SiO 2 (s) + 2H 2 O Ca HCO 3- CaCO 3 (s) + H 2 CO 3 kolhydrater lipider fosforestergrupper protein kiselskelett kalkskal

8 Ett resultat av fotosyntesens behov av olika ämnen är ett anmärkningsvärt linjärt förhållande mellan nitrat och fosfat i havet. N:P = 16:1 140 CO NO 3- + HPO H + + M H 2 O Primärproduktion med en kemists ögon! (CH 2 O) 91 (CH 2 ) 16 (NHCH 2 CO) 16 (CHPO 4 M) O 2

9 För förståelsen av dessa frågeställningar behövs kemisk insikt om: Kemisk bindning Stökiometri Jämvikt Termodynamik.

10 Förutom tillgången på närsalter behövs ljus och detta är (ofta) årstidsberoende.

11 Eftersom detta är latitudberoende kommer även säsongsvariationen se olika ut på olika latituder

12 Det finns förutom dessa generella förhållanden även vissa som är mycket specifika för olika regioner, t.ex. frysning. Fryspunkt (streckad) och maximal densitet (prickad) i havsvatten som en funktion av salthalten.

13 För förståelsen av dessa frågeställningar behövs kemisk insikt om: Löslighetskemi Reaktionslära

14 Generellt sett finns en fördelning av primärproduktion, här observerat som klorofyll från satelliter, över jordens oceaner. Blått lite rött mycket Årsmedelvärde för 2001.

15 Denna fördelning bestäms av tillgången av makronäringsämnen såväl som vissa andra vigtiga ämnen, s.k. mikronäringsämnen PO 4 Chl SiO 2 NO 3 Fe Notera förhållandena i södra oceanen

16 För förståelsen av dessa frågeställningar behövs kemisk insikt om: Redoxkemi Fotokemi

17 Denna tillgången, såväl som ljus förhållandena, bestäms till stor del av strömning och blandning av vattenmassor. (ett tjockt välblandat ytvatten medför att plankton kan blandas ner i mörkret)

18 Flera processer påverkar biologisk aktivitet och dessa har olika tids och rumsskalor Påverkar t.ex. PP genom fotokemisk reduktion av Fe 3+ till Fe 2+

19 Havets ytfilm En viktig komponent för havets biogeokemi är utbytet mellan hav och atmosfär

20 För förståelsen av dessa frågeställningar behövs kemisk insikt om: Gasers löslighet Gasers kinetik Grunderna för diffusion

21 En viktig faktor för gasutbytet är hastigheten GasEx-2001 Mätningar visar ett icke-linjärt förhållande mellan utbyteshastigheten och vindhastigheten

22 De mest använda ekvationer för utbyte av CO 2 idag är: F K Sc u pco2 Wanninkhof, 1992 F K Sc u pco2 McGillis et al, 2001 K 0 = lösligheten av CO 2, u vindhastigheten, 2 3 Sc = Schmidt talet ( ) Sc T T T p CO 2 = skillnaden i partialtryck mellan ytvattnet och atmosfären.

23 Nettoflödet av CO 2 mellan hav och atmosfären under 1995 Takahashi et al. (2002) Februari 1995 Augusti 1995 pco 2

24 Biologins roll för utbytet av CO 2 mellan hav och atmosfär 140 CO NO 3- + HPO H + + M H 2 O (CH 2 O) 91 (CH 2 ) 16 (NHCH 2 CO) 16 (CHPO 4 M) O 2 Primärproduktion konsumerar CO 2, dvs syran Ca HCO 3- CaCO 3 (s) + CO 2 + H 2 O Bildning av metal karbonat producerar CO 2, dvs basen En konsekvens är att luft-hav utbytet av CO 2 förstärks av PP, men motverkas av kalkskalsbildning. Men den senare sker alltid parallellt med PP och därför blir nettoresultatet en förstärkning av flödet.

25 För förståelsen av dessa frågeställningar behövs kemisk insikt om: Kemisk jämvikt Atomteori Fasta föreningar och dess löslighet Kinetik

26 Det finns andra gaser än CO 2 som utbyts mellan hav och luft, t.ex. syrgas. Denna påverkas starkt av PP och OM nedbrytning. Därför finns en tydlig säsongscykel som påverkar utbytet av med atmosfären.

27 och PP påverkar/påverkas också från andra delar av Jordystemet Syrgas Atmosphere 3.8 x 10 7 Abiotic processes 27 Photosynthesis 4600 Aerobic respiration 6757 Photosynthesis 3790 Ox. of bio. gases 1590 Terrestrial biota 4.3 x Marine biota 7.6 x 10 2 Weathering Dead organic matter Terrestrial Marine 6.7 x x Oxidation of volcanic gases, 14 Reduced constituents of the crust 8 x 10 9 The biogeochemical cycle of oxygen. Transport rates (in circles) and reservoirs (in boxes) are given in mol O 2 /yr and mol O 2, respectively. The reservoirs include the reduced materials, i.e. the amount of O 2 needed to oxidize this material.

28 som även den marina kvävecykeln gör

29 Kopplingen till sedimentet har flera fasetter. T.ex. reflekterar koncentrationen av kol i sedimentet inte endast primärproduktionen i ytvattnet.

30 Vi måste även t.ex. beakta nedbrytning av organiskt material

31 Observationer med sedimentfällor visar hur vertikala flödet av organiskt material snabbt minskar med djupet.

32 Detta beror på nedbrytning av OM och således ökar nedbrytningsprodukterna med djupet 0 Phosphate ( mol L -1 ) AOU ( mol kg -1 ) Pressure (dbar) o S, 55 o E Nitrate Phosphate Pressure (dbar) o S, 55 o E CDIC-35 T AOU Nitrate ( mol L -1 ) DIC-35 C T ( mol kg -1 ) AOU = Apparent Oxygen Utilization beräknas som [O 2 ] saturation [O 2 ] measured, vilket är ett mått på hur mycket syrgas som gått åt för nedbrytning av organiskt material.

33 Halten löst organiskt kol (DOC) är dock långt ifrån noll i djuphavet, utan ligger kring 40 µmol/kg. Detta beror på att det finns en mängd olika former av DOC som har olika stabilitet (attraktivitet för bakteriell nedbrytning)

34 Det stabilare DOC bryts dock långsamt ner och detta visar sig i att halten DOC minskar med tiden i djuphavet

35 Organiskt material finns i olika storleksklasser, vilka var och en innhåller olika mängder kol. Förutom mängden kol är det av intresse vilken omsättningshastighet som finns inom varje klass! Table 23.2 Distribution of Organic Carbon in the Oceans. a Category Gt C DOC 700 Noncolloidal DOC 350 to 490 Colloidal DOC 210 to 350 POC 55 Detrital POC 50 Surface biota 3 Heterotrophic bacteria 0.35 Phytoplankton b 0.78 Viruses 0.20 Zooplankton (<2 mm) 0.26 Zooplankton (>2 mm) Unknown a These estimates are somewhat different from those in Figures 25.1 and 25.2 b Phytoplankton biomass includes bacterial photoautotrophs. Sources: Le Quéré, C., et al. (2005) Global Change Biology 11, ; and Suttle, C. A. (2005). Nature 437,

36 För förståelsen av dessa frågeställningar behövs kemisk insikt om: Kovalenta bindningar Termodynamik Redoxkemi

37 O2 halten i djuphavet visar nedbrytning av OM i kombination med havscirkulationen AOU på 4000 m djup i världshaven Omvandla till µmol/kg genom multiplikation med 44.6* och division med densiteten. * O2 i ml/l anges oftast vid 25 oc och 1 atm

38 Mer kalkskal än OM överlever sedimantationen ner till djuphavssedimenten. Eftersom nedbrytning av OM producerar CO 2 kommer lösligheten av kalkskal att öka motsvarande. (CH 2 O) 91 (CH 2 ) 16 (NHCH 2 CO) 16 (CHPO 4 M) O CO NO 3- + HPO H + + M H 2 O Av denna anledning finns vissa sediment där kalkskal ansamlas och vissa (ofta djupare) där de löses upp.

39 Halten CO 3 2- är en funktion av temp. när CaCO 3 står i kemisk jämvikt vid konstant TA och DIC. Men uppmätt [CO 3 2- ] är inte i kemisk jämvikt med CaCO 3 utan i jämvikt med atmosfärens pco 2. ytvatten data Kalcium karbonat i sediment utgör en viktig buffert för CO 2 i djuphavet. CaCO 3 (s) + CO 2 + H 2 O Ca HCO 3 -

40 Den marina kvävecykeln är kemiskt intressant Med så många redoxtal är den av stor betydelse för biogeokemin i havet X and Y är intracellulära intermediärer som inte ansamlas i vattenpelaren. Denitrifikation CH 2 O(org) NO H + CO N H 2 O

41 I vatten med låga syrgasförhållanden ses tydligt effekten av nedbrytningsprocesser på fördelningen av kväveföreningar med olika N-redoxtal. Bakteriell oxidation av ammonium till nitrit Denitrifikation

42 För förståelsen av dessa frågeställningar behövs kemisk insikt om: Redoxkemi Löslighetskemi Stökiometri Kemisk jämvikt

43 Vid denitrifikation bildas även N 2 O, vilket syns i hav-luft flödet

44 N-cykeln påverkas starkt av mänsklig aktivitet. T.ex. genom atmosfärisk deposition år 1860, överst, 1990, mitten, och 2050, nederst. [mgn m -2 år -1 ]

45 Den övergripande slutsatsen är att om man vill förstå havet och de processer som påverkar fysiken, kemin och biologin, behövs ett systemtänkande med en bred kunskapsbas inom alla dessa områden. Det finns ingen genväg.