Quantifying ocean oxygen-to-carbon demand by chemical analyses and inverse models

通过化学分析和反演模型量化海洋氧碳需求

基本信息

  • 批准号:
    1948842
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 77.37万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-03-01 至 2023-02-28
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The marine carbon and oxygen cycles are intimately linked through the production and consumption of oxygen during photosynthesis and respiration. The amount of oxygen consumed per mole of respired organic carbon, the respiration quotient, is key for accurately predicting ocean oxygen concentrations and how ocean oxygen levels will respond to climate change. Despite this importance, the respiration quotient has rarely been measured directly. The aim of this research is to estimate the respiration quotient and its variability across ocean regions and depth. This will be done through an integration of direct chemical measurements of particulate organic matter collected from multiple ocean regions and indirectly by using an ocean circulation model to analyze a global database of dissolved oxygen and carbon concentration with a circulation model. In addition to advancing the understanding of the ocean oxygen cycle in the scientific community, this project will provide research training for researchers and students. The project will also improve awareness and understanding in the general public about possible future changes to marine oxygen concentrations.One of the main uncertainties in predicting current and future oxygen levels is the regulation of the biological respiration demand. The respiration quotient describes the amount of oxygen needed during the consumption of one mole of organic carbon and thus is a key link between the carbon and oxygen cycles. Here, we propose to measure the amount of oxygen consumed per mole of respired organic carbon, the respiration quotient, in particulate organic matter (POM) from the surface and thermocline using a newly developed chemical technique. Thus, we aim to obtain new direct chemical measurements of the respiration quotient across distinct oceanic regimes and depths. Subsequently, we propose to incorporate these observations into a seasonally-resolved inverse model using global hydrographic tracer concentration data. This combined approach will provide the first global-scale estimates (and uncertainties) of the mean and regional variability of the respiration quotient in the POM stock and export flux. Different parameterizations linking the respiration quotient to regions or environmental variables will be applied to test how they impact and replicate global oxygen concentrations and the extent of the oxygen minimum zones.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
海洋碳和氧循环通过光合作用和呼吸过程中氧气的产生和消耗密切相关。每摩尔呼吸有机碳消耗的氧气量(呼吸商)是准确预测海洋氧气浓度以及海洋氧气水平如何应对气候变化的关键。尽管呼吸商如此重要,但很少直接测量。这项研究的目的是估计呼吸商及其跨海洋区域和深度的变异性。这将通过整合从多个海洋区域收集的颗粒有机物的直接化学测量来完成,并通过使用海洋环流模型间接化学测量来通过循环模型分析溶解氧和碳浓度的全球数据库。除了增进科学界对海洋氧循环的了解外,该项目还将为研究人员和学生提供研究培训。该项目还将提高公众对海洋氧气浓度未来可能发生的变化的认识和理解。预测当前和未来氧气水平的主要不确定性之一是生物呼吸需求的调节。呼吸商描述了消耗一摩尔有机碳期间所需的氧气量,因此是碳循环和氧循环之间的关键环节。在这里,我们建议使用新开发的化学技术测量表面和温跃层颗粒有机物(POM)中每摩尔呼吸有机碳消耗的氧气量,即呼吸商。因此,我们的目标是获得不同海洋状况和深度的呼吸商的新的直接化学测量结果。随后,我们建议使用全球水文示踪剂浓度数据将这些观测结果纳入季节性解析的反演模型中。这种组合方法将首次对 POM 存量和出口通量呼吸商的平均值和区域变异性进行全球范围的估计(和不确定性)。将呼吸商与区域或环境变量联系起来的不同参数化将用于测试它们如何影响和复制全球氧气浓度以及最低氧气区域的范围。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Marine phytoplankton resilience may moderate oligotrophic ecosystem responses and biogeochemical feedbacks to climate change
  • DOI:
    10.1002/lno.12029
  • 发表时间:
    2022-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    A. Martiny;G. Hagstrom;T. DeVries;R. Letscher;G. Britten;Catherine A. Garcia;Eric Galbraith;D. Karl;S. Levin;M. Lomas;A. R. Moreno;D. Talmy;Weilei Wang;Katsumi Matsumoto
  • 通讯作者:
    A. Martiny;G. Hagstrom;T. DeVries;R. Letscher;G. Britten;Catherine A. Garcia;Eric Galbraith;D. Karl;S. Levin;M. Lomas;A. R. Moreno;D. Talmy;Weilei Wang;Katsumi Matsumoto
Latitudinal gradient in the respiration quotient and the implications for ocean oxygen availability
呼吸商的纬度梯度及其对海洋氧气可用性的影响
  • DOI:
    10.1073/pnas.2004986117
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Moreno, Allison R.;Garcia, Catherine A.;Larkin, Alyse A.;Lee, Jenna A.;Wang, Wei-Lei;Moore, J. Keith;Primeau, Francois W.;Martiny, Adam C.
  • 通讯作者:
    Martiny, Adam C.
Regulation of the Respiration Quotient Across Ocean Basins
  • DOI:
    10.1029/2022av000679
  • 发表时间:
    2022-10-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Moreno,Allison R.;Larkin,Alyse A.;Martiny,Adam C.
  • 通讯作者:
    Martiny,Adam C.
Diverse but uncertain responses of picophytoplankton lineages to future climate change
  • DOI:
    10.1002/lno.11951
  • 发表时间:
    2021-10-20
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    Flombaum, Pedro;Martiny, Adam C.
  • 通讯作者:
    Martiny, Adam C.
CYCLOCIM: A 4-D variational assimilation system for the climatological mean seasonal cycle of the ocean circulation
CYCLOCIM:海洋环流气候平均季节循环的 4-D 变分同化系统
  • DOI:
    10.1016/j.ocemod.2021.101762
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Huang, Qian;Primeau, François;DeVries, Tim
  • 通讯作者:
    DeVries, Tim
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