Deep sea and sediments bring iron to Antarctic waters

Fertilization by iron

Iron is a so-called limiting factor for algal growth in the waters around Antarctica. Should there be more iron in the waters, then more algae would come to bloom (and die). They would  capture more carbon, and maybe store more carbon on the bottom of the ocean. This has brought daring entrepreneurs in the past to the hypothesis that artificially fertilizing the Southern Ocean with extra iron, would capture more carbon and thus solve a little bit of the climate crisis we’re in. Tian warns that meanwhile it has been shown this is not as effective or risk-free as initially assumed. “However, climate change itself also alters the amount of iron naturally supplied to the Southern Ocean where notably melting glaciers were thought to be an important source. With my research, I’ve been trying to fill some gaps in our knowledge about iron in the Southern Ocean.”

Container of Antarctic water

Tian was able to trace back the origins of iron in the Southern Ocean, thanks to isotopes. Iron comes in different chemical forms, called Fe-54 to 58. “By analyzing the iron isotopes, I was able to fingerprint where iron came from. But that sounds easier said than done. For these analyses I need one to four liters of seawater per sample due to the extremely low concentrations of iron in the Southern Ocean. With 600 samples taken per expedition I participated in, that means I brought a big container full of Antarctic water back to Texel.”

Upwelling and sinking

Back home at NIOZ, Tian developed a protocol for the analysis of the iron isotopes in this water. “This had never been done before at our institute. It required a lot of hand labor and an extremely clean lab environment and instrumentation. But it was worth it!”, he adds. “I was able to show that in the Amundsen Sea, west of the Antarctic Peninsula, the iron is brought up from the bottom by relatively warm, upwelling water and continental sediments. So far, it was thought that dissolved iron may come from the melting ice shelf, but that mainly contains particulate iron, instead of dissolved iron. This combination of iron from upwelled deepwater and sediments is likely to trigger algae to bloom at the surface.”In the Weddell Sea, east of the Antarctic peninsula, there’s no substantial upwelling. Instead, the dense and salty water that is left behind when (relatively fresh) sea ice is formed, sinks to the bottom. “I found lots of iron supplied from the deep sediments in the Weddell Sea, but this iron disappears when the waters are mixed with other water masses in the deep”.

Effects on marine environments

“Thanks to the advanced sampling technology and chemical analysis, we are now on a fast pace to understand how the cycling of iron has changed in the Southern Ocean and how it further influences the climate system” Tian says. “The more we understand, the more precisely we can predict the positive or negative effects of iron fertilization on the marine environments and climate systems.”

De diepzee en de bodem brengen ijzer naar Antarctische wateren

Het ijzer dat de wateren rond Antarctica vruchtbaar maakt, komt voornamelijk uit de diepe, opwellende wateren en de bodems rond het continent. Dat blijkt uit veldonderzoek van NIOZ marien biogeochemicus Hung-An Tian in de Amundsen Zee en de Weddellzee. "IJzer speelt een centrale rol in het Antarctische ecosysteem en mogelijk ook in het klimaat", zegt Tian. "Maar ondertussen weten we nog maar heel weinig over de exacte balans van ijzer in de Zuidelijke Oceaan."

Bemesting met ijzer

IJzer is een zogeheten ‘limiterende factor’ voor algengroei in de wateren rond Antarctica. Zou er meer ijzer in het water zitten, dan zouden er meer algen tot bloei komen (en afsterven). Die algen zouden dus meer koolstof vastleggen en misschien zelfs meer koolstof opslaan op de bodem van de oceaan. Dit heeft sommigen in het verleden al eens op het idee gebracht dat het kunstmatig bemesten van de Zuidelijke Oceaan met extra ijzer, meer koolstof zou vastleggen en zo een beetje van de klimaatcrisis zou kunnen oplossen. Tian waarschuwt dat inmiddels is aangetoond dat dit niet zo effectief of risicoloos is als aanvankelijk werd aangenomen. "Klimaatverandering zelf verandert echter ook de hoeveelheid ijzer die van nature wordt aangevoerd naar de Zuidelijke Oceaan, waar met name smeltende gletsjers een belangrijke bron van ijzer zouden zijn. Met mijn onderzoek probeer ik enkele hiaten in onze kennis over ijzer in de Zuidelijke Oceaan op te vullen."

Container met Antarctisch water

Dankzij de verschillende chemische vormen van ijzer, de zogeheten isotopen, kon Tian de oorsprong van ijzer in de Zuidelijke Oceaan achterhalen. Van ijzer bestaan verschillende isotopen: Fe-54 tot 58. "Door die ijzerisotopen te analyseren, kon ik een soort vingerafdruk maken van waar het ijzer vandaan kwam. Maar dat klinkt makkelijker gezegd dan gedaan. Voor iedere analyses heb ik één tot vier liter zeewater per monster nodig vanwege de extreem lage ijzerconcentraties in de Zuidelijke Oceaan. Met 600 monsters per expeditie, betekent dat dat ik een grote container vol Antarctisch water mee terug heb genomen naar Texel."

Opwellen en zinken

Thuis op het NIOZ ontwikkelde Tian een protocol voor de analyse van de ijzerisotopen in dit water. "Dit was nog nooit eerder gedaan op ons instituut. Het vergde veel handwerk en een extreem schoon laboratorium en instrumenten. Maar het was het waard!", voegt hij eraan toe. "Ik kon aantonen dat in de Amundsenzee, ten westen van het Antarctisch Schiereiland, het ijzer van de bodem omhoog wordt gebracht door relatief warm, opwellend water, en uit de bodems rond het continent. Tot nu toe werd gedacht dat opgelost ijzer afkomstig was van het smeltende ijsplateau, maar dat bevat voornamelijk deeltjes ijzer, in plaats van opgelost ijzer. De combinatie van ijzer uit opwellend diep water en uit sedimenten zal waarschijnlijk leiden tot algenbloei aan het oppervlak."

In de Weddellzee, ten oosten van het Antarctisch schiereiland, is er nauwelijks ‘upwelling’ van diep water. In plaats daarvan zinkt het relatief zware en zoute water dat achterblijft bij de vorming van zoeter zee-ijs naar de bodem. "Het weinige water dat in de Weddellzee werd aangevoerd vanuit de diepte verdwijnt al snel wanneer het mengt met andere watermassa's in de diepte.

Effect op mariene milieu

De geavanceerde analyses van Tian lichten weer wat tipjes op van de ijzercyclus in de Zuidelijke Oceaan en hoe deze het klimaatsysteem verder kan beïnvloeden. Tian: "Hoe meer we begrijpen, hoe nauwkeuriger we de positieve of negatieve effecten van ijzerbemesting op de mariene milieus en klimaatsystemen kunnen voorspellen."