DMS

University of Groningen
Quantifying the role of marine phytoplankton (DMS) in the present day climate system
Gondwe, Mtinkheni
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2004
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Gondwe, M. (2004). Quantifying the role of marine phytoplankton (DMS) in the present day climate system
Groningen: s.n.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
SAMENVATTING:
KWANTIFICEREN VAN DE INVLOED VAN MARIEN FYTOPLANKTON (ALGEN)
IN HET HUIDIGE KLIMAATSYSTEEM
Samenvatting van de resultaten
verschillende onderzoeksdoelen
van
de
Charlson e.a. [1987] hebben een hypothese
geformuleerd die betrekking heeft op een
terugkoppelingscyclus waarin fytoplankton (algen) het
klimaat beïnvloedt. In het kort komt deze hypothese
erop neer dat in de atmosfeer zwevende sulfaatdeeltjes
die afkomstig zijn van algen in de oceaan kunnen
optreden als condensatiekernen voor waterdamp en zo
kunnen leiden tot de vorming van wolkendruppels.
Deze wolkendruppels verstrooien het zonlicht en
kunnen leiden tot afkoeling van het klimaat als ze in
hoge concentraties voorkomen. Afkoeling van het
klimaat
kan,
als
onderdeel
van
een
terugkoppelingsproces een negatieve invloed hebben
op algenbloei (die gedeeltelijk temperatuurafhankelijk
is) en daarmee op het door algen geproduceerde
dimethylsulfide-gas,
de
precursor
van
het
sulfaataërosol.
Dit promotieonderzoek is voor een groot deel
ingegeven door en gebaseerd op de hypothese van
Charlson e.a. [1987]. De veranderingen die marien
fytoplankton teweegbrengt in de
mondiale
energiehuishouding en de daaruit voortvloeiende
invloed op het klimaat wordt gekwantificeerd, om zo
te bepalen of deze invloed significant is. De specifieke
doelen van het onderzoek waren:
1) kwantificeren
en
analyseren
van
de
klimaatinvloed door terugkaatsing
van
zonnestraling door coccolithoforidenbloeien in
de open oceaan
De
wateruittredestraling
(water-leaving
radiance), gedefinieerd als zonnestraling die door
deeltjes in het wateroppervlak van de oceaan
teruggekaatst wordt naar de atmosfeer en de ruimte,
wordt vaak gebruikt om informatie over de kleur van
de oceaan af te leiden uit remote sensing gegevens. Op
zichzelf is het echter al een maat van de hoeveelheid
zonnestraling die door deeltjes in de oceaan
teruggekaatst wordt en daardoor geen bijdrage levert
aan het warmtereservoir van de Aarde (dat invloed
heeft op de wereldenergiebalans en het klimaat). De
bloei van coccolithoforiden blijkt een grote invloed te
hebben op de wateruittredestraling door de sterk
reflecterende kalkplaatjes of ''coccolieten'' waarmee
deze mariene algen bedekt zijn. De algen stoten deze
plaatjes ook af, waarna ze masaal in het water blijven
zweven. In dit onderzoek werden gegevens
geanalyseerd
die
verkregen
zijn
uit
satellietwaarnemingen over de wateruittredestraling
boven de
Noord-Atlantische
Oceaan,
waar
coccolithoforidenbloeien in tijd en ruimte gezien het
meest voorkomt. Het blijkt dat de directe beinvloeding
van de straling door coccolithoforiden tussen 402-565
nm (waar de grootste optische invloed plaats heeft) in
deze oceaan verwaarloosbaar is (gemiddeld -0,05 W
m-2 per jaar).
Om dit gegeven in het juiste perspectief te
plaatsen: de mondiale gemiddelde jaarlijkse
stralingsbeinvloeding door sterk reflecterende
antropogene sulfaataërosoldeeltjes wordt in het
huidige klimaat geschat op -0,4 W m-2, terwijl deze
beinvloeiding voor de broeikasgassen kooldioxide,
methaan,
stikstofoxide
en
gehalogeneerde
koolwaterstoffen samen op +2,43 W m-2 geschat
wordt [IPCC, 2001]. De stralingsbeinvloeding door
het ozongat in de stratosfeer wordt geschat op -0,15 W
m-2, terwijl deze waarde voor ozon in de troposfeer
geschat wordt op +0,35 W m-2, wat een netto
stralingsforcering oplevert van +0,2 W m-2 [IPCC,
2001]. Ter vergelijking: de gemiddelde jaarlijkse
zonnestraling die door het aardoppervlak opgevangen
wordt ligt tussen 80 W m-2 in het Noordpoolgebied en
280 W m-2 in de Sahara, waar het wolkendek
verwaarloosbaar is [Strahler en Strahler, 1992].
Op lokale schaal kan intensieve terugkaatsen
van zonnestraling door coccolithoforidenbloeien
echter invloed hebben op lokale meteorologische
processen (bijv. windpatronen, verdamping, convectie)
en fysisch-oceanografische processen (bijv. verticale
menging in de waterkolom, stromingen en de diepte
van de door de wind gemengde laag), die op hun beurt
relevant kunnen zijn voor ecologische processen (bijv.
124
wederzijdse beïnvloeding van veranderingen
waterbewegingen en de planktondynamiek).
in
2) kwantificeren en analyseren van de bijdrage
van door mariene algen geproduceerd DMS op
de mondiale belasting van de atmosfeer door
DMS, MSA, SO2, en nss SO4=
Een
aantal
veelvoorkomende
fytoplanktongroepen
produceert
dimethylsulfoniopropionaat (DMSP), vermoedelijk
om de osmotische druk te regelen en fotosynthese- en
oxidatieprocessen efficiënter te laten verlopen. DMSP
komt vrij in het water wanneer de cellen van
microalgen openbarsten als ze door zoöplankton
gegeten worden, na cellysis aan het einde van een
bloei, of door virale lysis. Dimethylsulfide (DMS) is
een afbraakproduct van DMSP en wordt gevormd
door enzymen in algen of bacteriën. Het grootste deel
van dit DMS wordt vervolgens geconsumeerd door
bacteriën of door foto-oxidatie in het water omgezet,
in een tempo dat afhangt van de microbenactiviteit en
de fotochemische situatie ter plaatse. Het deel dat
overblijft, en dat slechts een fractie uitmaakt van de
totale in water opgeloste hoeveelheid DMS, wordt
echter uitgestoten naar de atmosfeer, waar het een
chemische verandering ondergaat die leidt tot de
vorming van methaansulfonaat (MSA), zwaveldioxide
(SO2), sulfaataërosolen (nss SO4=) en ander
zwavelverbindingen. Sulfaataërosolen spelen een
belangrijke rol in de stralingsbalans tussen de aarde en
de atmosfeer omdat ze een deel van de zonnestraling
en de oppervlaktestraling verstrooien, absorberen en
reflecteren. Ze kunnen ook functioneren als
condensatiekernen
voor
de
vorming
van
wolkendruppels die op hun beurt een belangrijke rol
spelen in het klimaat omdat ze eveneens een deel van
de straling verstrooien, absorberen en reflecteren.
In dit proefschrift werd gebruik gemaakt van
een driedimensionaal chemisch transportmodel van de
aarde (TM3) om de atmosferische belasting van
oceaan-gerelateerd DMS, MSA, SO2 en klimaatrelevant nss SO4= te bepalen en deze te vergelijken met
de belasting door alle andere bronnen van deze
chemischeverbindingen. Andere in het onderzoek
betrokken
bronnen
waren
transportemissies,
industriële
emissies,
vulkanische
emissies,
continentale DMS-emissies (bijv. uit aërobe
zoetwatermeren en vegetatie en emissies uit
verbranding van biomassa. De analyses zijn uitgevoerd
met een ruimtelijke resolutie van 7,5o x 10o, met 19
lagen in de verticale dimensie tussen het
aardoppervlak en de stratosfeer. De berekende
jaargemiddelden laten zien dat DMS uit de oceaan een
grote bijdrage levert aan de totale belasting door DMS
en MSA in de atmosfeerkolom boven de oceanen. De
gemiddelde bijdrage voor de gehele aarde ligt op
respectievelijk 98 en 94 procent. De bijdrage van SO2
en het oxidatieproduct daarvan, nss SO4=, is het grootst
boven de oceanen van het zuidelijk halfrond. In
tegenstelling tot het noordelijk halfrond is er op het
zuidelijk halfrond weinig zwavel uit industriële
bronnen, zodat het de mariene DMS-emissies moeten
zijn die de waargenomen SO2- en nss SO4=concentraties veroorzaken. Voor de gehele wereld ligt
de gemiddelde jaarlijkse bijdrage van deze stoffen op
respectievelijk 32 en 18 procent.
De gegevens uit het model zijn grondig
gevalideerd
met
behulp
van
gepubliceerde
meetgegevens en het blijkt dat het chemische transport
model TM3 de waargenomen concentraties redelijk
goed kan reproduceren.
3) kwantificeren van de verdeling in ruimte en
tijd van de MSA/nss SO4= ratio voor de gehele
aarde
De
enige
bekende
precursor
van
methaansulfonaataërosolen (in de gasfase bekend als
methaansulfonzuur) is DMS. Op zichzelf zijn MSAaërosolen een goede indicator van DMS-aanwezigheid
of DMS-oxidatie in de atmosfeer. Daarentegen heeft
nss SO4= ook andere precursors dan DMS, zoals
industriële
SO2-emissies,
SO2-emissies
door
transportmiddelen
(bijv.
de
intercontinentale
scheepvaart), vulkanische SO2-emissies en andere
geringere zwavelemissies uit natuurlijke of
antropogene bron. Hierdoor kan nss SO4= niet als
enige gebruikt worden om de grootte van de bijdrage
van mariene algen aan mogelijk door aërosolen
veroorzaakte
klimaateffecten
te
bepalen.
Isotopenanalyse geeft de mogelijkheid deze bijdrage te
isoleren, aangezien de zwavelisotopensamenstelling
van verschillende zwavelbronnen anders is. Hierdoor
kan de isotopensignatuur van marien biogeen sulfaat
(hoewel op dit moment nog niet volledig)
onderscheiden worden van de signatuur van een
antropogene bron.
Een andere manier om de relatieve bijdrage
van continentale en mariene bronnen aan de mondiale
zwavelcyclus te schatten is het gebruik van de
MSA/nss SO4=-ratio in de lucht of in neerslag (ijs of
125
sneeuw). Deze ratio wordt reeds lange tijd gemeten in
diverse werelddelen en is een maat voor de relatieve
mariene biogene bijdrage aan de totale atmosferische
zwavelbelasting. Een hoge ratio geeft aan dat een
aanzienlijk deel van de totale waargenomen nss SO4=belasting afkomstig is van de oxidatie van DMS in de
atmosfeer, terwijl een lage ratio impliceert dat de
bijdrage van DMS aan de totale geobserveerde
nss SO4=-belasting gering is. Transectstudies en
observaties met een netwerk van stations hebben een
beeld opgeleverd van de verdeling in ruimte en tijd
van deze ratio in een beperkt aantal gebieden, maar de
kennis over andere delen van de wereld vertoont
lacunes. In dit proefschrift werden MSA/nss SO4=
ratios gemodelleerd met behulp van een 3dimensionaal chemisch transportmodel. De resultaten
werden vergeleken met gepubliceerde metingen.
Omdat de resultaten van het model betrekking hebben
op de gehele wereld is het eindelijk mogelijk een goed
beeld te krijgen van de mondiale variatie en verdeling
van deze ratio, iets dat hiervoor niet mogelijk was op
grond van metingen alleen. Net als voor doelstelling 2)
zijn analyses uitgevoerd met een ruimtelijke resolutie
van 7,5o x 10o x 19 lagen, maar de resultaten worden
gepresenteerd voor alleen de lagere atmosfeer.
Vergelijking van de gemodelleerde en de
gemeten gegevens laat zien dat het model redelijk
goed presteert voor de meeste gebieden op aarde, met
uitzondering van de atmosfeer boven het
Noordpoolgebied, waar de MSA/nss SO4=-ratio
consequent te hoog wordt geschat. Onze resultaten
bevestigen dat de ratio in het algemeen het hoogst is
rond de polen en het laagst in de tropen. Dit wordt
toegeschreven aan het feit dat MSA het gemakkelijkst
geproduceerd wordt bij lage temperaturen (de
maximum temperatuur is 27o C). Hoewel MSA het
best wordt geproduceerd bij lage temperaturen, hebben
observaties op hoge breedtegraden steeds aangetoond
dat de MSA/nss SO4=-ratio zomermaxima en
winterminima kent [zie bijv. Ayers e.a. 1986, 1991,
1996 voor het Cape Grim waarnemingsstation in ZuidAustralië en Li en Barrie, 1993 en Li e.a. 1993 voor
Alert, Canada en Barrow, Alaska], waardoor veel
onderzoekers vraagtekens zetten bij de validiteit of
robuustheid van de theorie van het MSAproductiemechanisme. Als oplossing voor dit
probleem worden vaak de verminderde marienbiologische activiteit en slechte DMS-condities in het
zeewater in de winter genoemd als oorzaken van deze
waargenomen trend. In dit proefschrift wordt
verondersteld dat hoewel de temperaturen op hoge
breedten laag zijn en dus gunstig voor de productie
van MSA, de fotochemische productie van OH ter
hoogte van de polen tijdens de donkere
wintermaanden marginaal is. Als gevolg hiervan leidt
de geringere MSA-productie tijdens de wintermaanden
veroorzaakt door de verminderde oxidatie van DMS
door
het
fotochemisch
geproduceerde
hydroxylradicaal (OH) tot de zomermaxima en
winterminima in de MSA-concentraties op deze
breedten. De temperatuur en de marien-biologische
activiteit zijn zodoende niet de enige factoren die de
MSA-productie op hoge breedten tijdens de twee
seizoenen bepalen. De lichtomstandigheden zijn al
even belangrijk!
We schatten het jaargemiddelde van de
MSA/nss SO4=-ratio voor alle zwavelbronnen op het
noordelijk halfrond op 0,08, op het zuidelijk halfrond
op 0,20 en voor de gehele aarde op 0,14. Het
jaargemiddelde van 14 procent voor de gehele wereld
is vergelijkbaar met de schatting van 13 procent die de
gelabelde tracertechniek oplevert voor de bijdrage van
oceanische DMS-emissies aan de totale mondiale
concentratie van nss SO4= in de lagere atmosfeer.
Deze hoge mate van overeenstemming wijst op een
grote betrouwbaarheid van het gebruik van de
MSA/nss SO4=-ratio voor de bepaling van de DMSbijdrage aan de waargenomen sulfaatconcentraties.
Analyses van de gemodelleerde MSA/nss
SO4=-ratio’s uit alle bronnen laten zien dat de hoogste
ratio’s zich gedurende het gehele jaar voordoen op het
zuidelijk halfrond, waar de atmosferische DMSbelasting immers het hoogst is (de redenen hiervoor
zijn beschreven onder doelstelling 2). Dit is in
overeenstemming met in de literatuur vermelde
atmosfeer- en ijskernmetingen van de MSA/nss SO4=.
De MSA/nss SO4=-ratio voor uitsluitend
oceanisch DMS is consistent voor het noordelijk
halfrond (33 %), het zuidelijk halfrond (33 %) en de
gehele wereld (31 %), wat aangeeft dat het model
stabiel presteert bij het schatten van de oxidatie van
DMS onder allerlei omstandigheden.
4) kwantificeren van de hoeveelheid energie die
teruggegeven wordt aan de ruimte door
nss SO4=-deeltjes uit oceanisch DMS en
analyseren van de invloed hiervan op het
klimaat
Voor deze onderzoeksdoel werd een mondiaal
driedimensionale stralingsconvectiemodel (KRCM;
10o x 10o x 27 lagen) gebruikt om de vraag te
126
beantwoorden hoeveel energie teruggekaatst wordt
naar de ruimte door algen-gerelateerde nss SO4=aërosolen en of de invloed hiervan significant is. Twee
scenario’s zijn onderzocht: een controlescenario,
waarin alle nss SO4=-bronnen minus de mariene DMSbron betrokken zijn, en een perturbatiescenario,
waarin alle nss SO4=-bronnen van het controlescenario
plus de mariene DMS-bron betrokken zijn.
Stralingstransferberekeningen
voor
het
controlescenario geven informatie over de hoeveelheid
energie die door sulfaataërosoldeeltjes naar de ruimte
terugverstrooid zou worden als er geen fytoplankton
zou bestaan in het huidige klimaatsysteem, terwijl het
perturbatiescenario laat zien hoeveel energie
terugverstrooid wordt als gevolg van de aanwezigheid
van marien fytoplankton.
De resultaten geven aan dat de grootste
stralingsperturbatie plaatsvindt op het zuidelijk
halfrond (-0,04 W m-2, jaargemiddelde) waar de door
algen geproduceerde nss SO4=-belasting (en dus de
optische diepte) ook het grootst is. Voor het noordelijk
halfrond en de gehele wereld wordt de jaarlijkse
gemiddelde
stralingsperturbatie
geschat
op
respectievelijk -0,02 W m-2 en -0,03 W m-2. De
vergelijkbare wereldjaargemiddelde van de directe
stralingsbeinvloeding
door
antropogene
sulfaataërosolen, is door het Intergovernmental Panel
on Climate Change op -0,4 W m-2 geschat.
De negatieve stralingsperturbatie veroorzaakt
door marien DMS-gerelateerde sulfaataërosolen wordt
vooral boven oceaangebieden gevonden, dicht bij de
bron, waar het albedo van het achtergrondwater de
oppervlakte-uitstraling (Earth-leaving radiance) niet
wegdrukt.
De trend (die steil is bij lage
sulfaataërosolconcentraties maar gedeeltelijk afvlakt
bij hoge sulfaataërosolconcentraties) van de relatie
tussen verstrooiende aërosolconcentraties en de
optische diepte daarvan en de stralingsperturbatie die
hieruit berekend wordt, leidt tot een situatie waarbij de
totale toename van DMS-gerelateerd sulfaataërosol in
de atmosfeer in het algemeen een minder dramatische
invloed heeft op de stralingsbalans dan het geval zou
zijn in een pre-industrieel scenario, waarin de
antropogene zwavelemissies te verwaarlozen zijn. In
de relatief schone pre-industriële atmosfeer (d.w.z.
met geringe concentraties verstrooiende aërosolen)
zou het toevoegen van nieuwe verstrooiende deeltjes
(oceanisch DMS-gerelateerd sulfaat) een forse
toename van de optische diepte van aërosolen met zich
meebrengen en daardoor van de stralingsperturbatie
die daaruit berekend wordt.
van
de
bijdrage
van
5) kwantificeren
gemodelleerde door algen geproduceerde
nss SO4=-deeltjes
op
de
wolkendruppelconcentraties over de gehele
wereld
De dichtheid van de wolkendruppels in de
atmosfeerkolom tussen het aardoppervlak en de
bovenste dampkring bepaalt de mate waain
zonnestraling en oppervlaktestraling door een
wolkendek kunnen dringen. Mariene algen dragen bij
aan de mondiale energiebalans doordat ze indirect de
wolkendruppelconcentratie (cloud droplet number
concentration, CDNC) in de kolom verhogen. Met
behulp van de parameterisaties van Boucher en
Lohmann [1995, relatie D], die de sulfaataërosolmassa
relateren aan de CDNC, heb ik voor diverse jaren en
voor de gehele wereld de gemiddelde kolom-CDNC
veroorzaakt
door
mariene
algen-gerelateerde
sulfaataërosolen
onder
diverse
atmosferische
omstandigheden geschat. De analyses hadden een
resolutie van 7,5o x 10o x 19 lagen. De gemiddelde
jaarlijkse kolom-CDNC veroorzaakt door oceanisch
DMS wordt geschat op respectievelijk 95 cm-3 (34%
van de totale CDNC) voor het noordelijk halfrond, 118
cm-3 (77% van de totale CDNC) voor het zuidelijk
halfrond en 106 cm-3 (49% van de totale CDNC) voor
de gehele wereld. Deze bijdragen zijn groot in
vergelijking met de antropogene zwavelbijdrage, die
bij benadering vijf keer groter is dan de DMS-bijdrage
op wereldniveau. De reden hiervoor is dat de Boucher
en Lohmann-parameterisatie, in vergelijking met
andere methoden, vaak een te hoge schatting van de
CDNC bij lage sulfaatmassaconcentraties oplevert.
In het algemeen komt de hoogste door
oceanisch DMS veroorzaakte CDNC voor boven de
oceanen van het zuidelijk halfrond, waar de
industriële zwavelemissies – die in vergelijking met
het noordelijk halfrond laag zijn – de
sulfaataërosolbelasting niet overschaduwen. De
hoogste CDNC komt voor boven het tropische,
zuidoostelijke deel van de Stille Oceaan.
Satellietgegevens laten overigens zien dat daar de
laagste
chlorofyl a-concentraties
(d.w.z.
hoeveelheden mariene algen) voorkomen van alle
oceanen. Gegevens uit publicaties over diverse
meetcampagnes in de atmosfeer boven het zuidoosten
van de Stille Oceaan laten zien dat de opeenhoping
van wolkcondensatiekernen (cloud condensation
127
nuclei, CCN) die het gevolg is van de herhaalde
omzetting van aërosolen door meerdere cycli van
wolkvorming en verdamping veelvuldig voorkomt in
dit gebied, waar dalende luchtmassa’s overheersen en
neerslag tegengaan. Als een wolk verdampt zonder
dat neerslag optreedt, komen de CCN vrij en gaan ze
deel uitmaken van de aanwezige aërosolen. De
vrijgekomen aërosolen zijn groter en actief bij geringe
oververzadiging. Wanneer aan deze voorwaarden
voldaan wordt, vormen ze gemakkelijk de kernen
voor nieuwe wolkendruppels, waardoor het aantal
CDNC groter wordt.
Deze observaties worden verder ondersteund
door de hier gepresenteerde analyses van de
Legates/MSU neerslagklimatologie en gegevens uit
het International Satellite Cloud Climatology Project
(ISCCP), die laten zien dat het zuidoosten van de
Stille Oceaan veel wolken bevat maar dat deze slechts
HHQ JHULQJH RSWLVFKH GLHSWH KHEEHQ c tussen 5 en 10)
en dat er weinig regen valt. Hetzelfde geldt voor het
zuidoosten van de tropische Zuid-Atlantische Oceaan
en het oceaangebied bij de Australische westkust,
waar we ook een hoge door algen veroorzaakte
CDNC hebben geïdentificeerd.
De ISCCP-gegevens geven ook aan dat de
wolkendruppels in deze gebieden een grote effectieve
diameter hebben. Analyses door Han e.a. [1998a] van
de relatie tussen de effectieve diameter van
wolkendruppels en het wolkalbedo op basis van
mondiale meerjarige ISCCP-gegevens laten zien dat
YRRU DOOH RSWLVFK GXQQH ZRONHQ c<15) geldt dat het
wolkalbedo
groter
wordt
als
de
wolkendruppeldiameter toeneemt, wat impliceert dat
de hoge door mariene algen veroorzaakte CDNC in
deze gebieden een aanzienlijk klimaateffect heeft.
De ruimtelijke verdeling van de CDNCmaxima uit alle zwavelbronnen heeft ook diverse
interessante implicaties. ''Hotspots'' van CDNC uit
alle zwavelbronnen worden gevonden boven
continentale
gebieden,
vooral
boven
de
geïndustrialiseerde gebieden in Oost-Europa, China
en het oosten van de Verenigde Staten. Uit een
analyse van ISCCP-gegevens door Han e.a. [2000]
blijkt dat, net als in de hotspotgebieden, het albedo
YDQ GH RSWLVFK GXQVWH FRQWLQHQWDOH ZRONHQ c<15)
slechts weinig verandert als gevolg van veranderingen
in de wolkendruppelconcentratie, maar dat de
albedoverandering in overeenkomstige wolken boven
de oceanen groot is. Dit komt doordat de
wolkendruppelconcentratie
boven
continentale
gebieden hoger is dan in mariene gebieden, waar de
CCN-bronnen kleiner en geringer in aantal zijn. Deze
conclusie van Han e.a. [2000] suggereert dat in een
hypothetische wereld zonder marien fytoplankton de
afwezigheid van een DMS-bijdrage aan de CDNC
geen groot verschil zou betekenen voor het albedo
van optisch dunne continentale wolken en dat dit
waarschijnlijk op het ogenblik ook niet het geval is.
Verder is de invloed van wolken boven land
op de netto stralingsbalans gewoonlijk kleiner dan
boven nabijgelegen oceaangebieden aangezien er
boven land minder wolken zijn. Waar wolken
voorkomen, blijft de stralingsforcering meestal gering
ten opzichte van de nabijgelegen oceaan omdat het
contrast in albedo tussen de wolken en het daaronder
liggende lichte grondoppervlak gering is.
Discussie
Hoewel DMS-emissies ongeveer eenvijfde
van de antropogene zwavelemissies uitmaken, wil dit
niet zeggen dat DMS eenvijfde bijdraagt aan de totale
zwavel-gerelateerde klimaatforcering. Deze bijdrage is
veel kleiner vanwege de non-lineariteit van het
klimaatsysteem. De zeer hoge wereldwijde
antropogene sulfaataërosolbelasting, bijvoorbeeld,
leidt tot een situatie waarbij een verhoging van DMSgerelateerde sulfaataërosolen in de atmosfeer
weliswaar de optische diepte van het sulfaataërosol
vergroot in een lineaire relatie, maar geen grote
invloed heeft op de totale door sulfaataërosolen
veroorzaakte stralingsperturbatie aangezien de
optische diepte van aërosolen en de stralingsverstoring
niet lineair met elkaar samenhangen maar een trend
vertonen
die
steil
is
bij
lage
sulfaataërosolconcentraties maar gedeeltelijk afvlakt
bij hoge concentraties. Dit impliceert dat in een
toekomstig warmer klimaat een mogelijke toename
van oceanische DMS-gerelateerde sulfaataërosolen
ook geen grote invloed zal hebben op de
stralingsperturbatie aangezien wereldwijd de bijnaverzadiging van de optische diepte van het
sulfaataërosol reeds nu bereikt lijkt te zijn.
De trend in de relatie tussen CDNC en het
wolkalbedo
is
eveneens
steil
bij
lage
sulfaataërosolconcentraties en afvlakkend bij hoge
concentraties. Hierdoor zal een verhoogde bijdrage
van marien DMS-gerelateerde wolkendruppels aan de
bestaande CDNC in een toekomstig klimaat
waarschijnlijk ook niet leiden tot een significante
verhoging van het albedo.
128
Hoewel de in elk hoofdstuk gekwantificeerde
wereldwijde effecten gering zijn ten opzichte van de
effecten die veroorzaakt worden door andere
klimaatforceringsinvloeden (zoals CO2-concentraties
in de atmosfeer), kunnen ze samen toch een
aanzienlijk effect hebben op regionale schaal, waar de
effecten veel groter zijn.
Opgemerkt moet worden dat de meerjarige uit
satellietwaarnemingen verkregen jaarlijkse gemiddelde
verdeling van chlorofyl a (een indicator voor de
aanwezigheid van fytoplankton en de hoeveelheden
daarvan) in het oppervlaktewater van de oceanen
weliswaar een hoge concentratie van deze algen op
middel- en hoge breedten op het noordelijk halfrond te
zien geeft. Echter, wereldwijde metingen van DMSconcentraties in het zeewater gedaan tussen 1972 en
1999 laten zien dat de jaargemiddelden van deze DMS
concentraties vrijwel gelijk zijn voor beide halfronden
(1,4 nM L-1 op het noordelijk halfrond tegenover 1,7
nM L-1 op het zuidelijk halfrond). Deze discrepantie
tussen plaatsen waar hoge chlorofyl a-concentraties
voorkomen en locaties met hoge DMS-concentraties
en emissies aan het zeeoppervlak kan worden
toegeschreven aan het feit dat verschillende
fytoplanktonsoorten
verschillende
chlorofyl aconcentraties
vertonen
en
dat
niet
alle
fytoplanktonsoorten veel DMSP produceren. De
DMSP-productie per eenheid chlorofyl vertoont geen
één-op-één relatie en verschilt van soort tot soort,
waarbij soorten van de klassen dinophyceae en
prymnesiophyceae overvloedige hoeveelheden DMSP
produceren, terwijl soorten van de klassen
bacillariophyceae (diatomeeën) en prasinophyceae
middelgrote hoeveelheden, en soorten van de klassen
chlorophyceae, cryptophyceae en cyanophyceae de
kleinste hoeveelheden DMSP produceren. Behalve dat
andere algensoorten (zoals diatomeeën) die matige
hoeveelheden DMSP produceren er in veranderlijke
hoeveelheden voorkomen en lokaal overheersend zijn,
is de zuidelijke oceaan ook een van de
Phaeocystis
voorkeursbiotopen
van
(een
prymnesiofyt)
en
coccolithoforiden
(een
prymnesiofyt). Deze algen hebben een hoog
intracellulair DMSP-gehalte per eenheid chlorofyl.
Ondanks
het
feit
dat
de
op
satellietwaarnemingen
gebaseerde
gemiddelde
jaarlijkse verdeling van fytoplankton in het
oppervlaktewater van de oceanen een hoge
concentratie van deze algen laat zien op middel- tot
hoge breedten op het noordelijk halfrond, blijkt uit het
in dit proefschrift gepresenteerde onderzoek dat
marien DMS de grootste invloed op het klimaat juist
op de zuidelijk halfrond heeft.
In tegenstelling tot de situatie op het
noordelijk halfrond, is de omvangrijke flux van gassen
van zee naar lucht op het zuidelijk halfrond (vooral op
middeltot
hoge
breedten)
gedeeltelijk
verantwoordelijk voor de verhoogde gemiddelde
jaarlijkse DMS-belasting in de atmosfeer. Een ten
opzichte van het noordelijk halfrond kleiner
oxidatievermogen van de atmosfeer op het zuidelijk
halfrond leidt verder tot de opeenhoping van DMS en
de verhoging van de DMS-belasting in de zuidelijke
atmosfeer. Verder is het zeeoppervlak waaruit DMS
vrijkomt op het zuidelijk halfrond groter dan op het
noordelijk halfrond, wat ook de DMS-belasting op het
zuidelijk
halfrond
vergroot.
De
grote
oppervlakteruwheid als gevolg van de aanwezigheid
van grote landmassa’s op het noordelijk halfrond is
ook bevorderlijk voor de noord-zuidmenging van
DMS en de oxidatieproducten daarvan in de
atmosfeer, waardoor de atmosferischebelasting door
deze stoffen op middel- tot hoge breedten kleiner is.
De oppervlakte van de landmassa’s op het zuidelijk
halfrond is kleiner en het land ligt er over het
algemeen laag. Door de geringere oppervlakteruwheid
op middelbreedten heeft de circumpolaire stroming er
de overhand. De noord-zuidmenging blijft zodoende
beperkt, en chemische bestanddelen in de atmosfeer
boven de zuidelijke oceaan hopen zich op wanneer de
processen die de verwijdering daarvan bevorderen
zwak zijn. De uiteindelijke consequentie van een
verhoogde DMS-belasting in de zuidelijke atmosfeer
is dat het voor het klimaat relevante product van de
oxidatie van DMS in de atmosfeer (nl. nss SO4=) en de
invloed op het klimaat ervan ook geconcentreerd zijn
op het zuidelijk halfrond.
Het zal duidelijk zijn dat het onderzoek
waarop dit proefschrift gebaseerd is wereldwijd moest
zijn in plaats van een casestudy, aangezien nietlineaire relaties in het klimaatsysteem van de oceanen
kunnen leiden tot onverwachte variaties in de
verwachte
ruimtelijke
procestrends.
In
multidisciplinair onderzoek moeten het te bestuderen
gebied en de steekproeflocaties daarom weloverwogen
gekozen worden, aangezien gebieden die vanuit één
oogpunt (bijv. de dynamiek van het zeewater-DMS)
belangrijk zijn niet belangrijk hoeven te zijn vanuit
een ander oogpunt (bijv. DMS-gerelateerde
wolkenmicrofysica).