Acidification and transports of water masses and CO2 in the North Atlantic

espanolRESUMEN: El aumento del CO2 atmosferico debido a la actividad humana (CANT) ha sido suavizado por la absorcion oceanica. Esta absorcion da lugar a una serie de cambios quimicos llamados acidificacion oceanica. Los efectos de este fenomeno tienden a ser mas severos en los oceanos de latitudes altas. Ademas, las aguas profundas de las regiones donde los movimientos verticales son relativamente rapidos, es decir, las zonas donde se forman masas de agua, como el Atlantico Norte, estan expuestas mas rapidamente a la acidificacion. Esta tesis se centra en la acidificacion y los transportes de masas de agua y CO2 en el Giro Subpolar del Atlantico Norte (GSPAN). Para determinar el efecto de los cambios en la circulacion oceanica en la captacion y almacenamiento del CANT, se estudio la distribucion, transporte y transformacion de las masas de agua del GSPAN en la primera decada de los 2000 (2002-2010); asi como la variabilidad interanual en la estructura de las masas de agua entre 1997 y 2010. La reduccion de la magnitud de la rama superior de la circulacion termohalina del Atlantico (AMOC) entre 1997 y los 2000 se asocia con la reduccion en el transporte de las Aguas Centrales. Esta reduccion se compensa parcialmente con la reduccion de la magnitud de la rama inferior de la AMOC, asociada con la disminucion del transporte del Agua Polar Intermedia y el Agua Modal Subpolar en la cuenca del Irminger. El analisis del modelo de cajas revelo que las Aguas Centrales, el Agua del Mar de Labrador, el Agua Intermedia Subartica y el Agua de desbordamiento de Islandia-Escocia pasan por encima del Reykjanes Ridge de la cuenca Este del Atlantico Norte al Irminger, donde se transforman y/o densifican, pasando de la zona de aguas superiores e intermedias a la zona de aguas profundas. Los cambios de CANT, pH, alcalinidad total (AT) y saturacion CaCO3 en terminos de aragonito se evaluaron en las cuencas del Irminger e Islandia para el periodo 1981-2014. La absorcion de CANT en ambas cuencas produjo tasas de acidificacion significativas en toda la columna de agua, y un ascenso del horizonte de saturacion del aragonito a una tasa de unos 10 m/ano. Para estudiar las causas de los cambios de pH se evaluaron sus componentes antropogenico (derivado de la penetracion del CO2 antropogenico; DpHCant) y no antropogenico (no directamente relacionado con la captacion de CO2 antropogenico; DpHVar). En estado estacionario, el termino DpHVar seria constante y todos los cambios de pH se explicarian a traves del termino DpHCant. Sin embargo, en las capas superiores la accion del DpHVar (derivada de la adveccion de aguas subtropicales) contrarresta el efecto del DpHCant, mientras que en las aguas intermedias del Irminger el efecto del DpHVar (producido por el envejecimiento de las aguas) refuerza la acidificacion derivada del DpHCant. En base a las tasas de cambio de pH y saturacion de aragonito observadas se infirieron descensos de pH de 0.31 unidades en las capas superficiales para 2065, momento en el cual toda la columna de agua de las cuencas del Irminger e Islandia estara subsaturada en aragonito. Los datos tambien mostraron tendencias significativas de incremento de la alcalinidad en las aguas profundas del Irminger que pueden estar relacionados con el aumento de la descarga de los rios articos. Puesto que la adveccion lateral de CANT desde las latitudes medias constituye el principal aporte de CANT del GSPAN, conocer la forma en que este se transporta es crucial para comprender como el oceano almacena CANT. En esta tesis se investiga la variabilidad interanual a decenal en el transporte de CANT (Tcant) a traves del Atlantico Norte Subpolar en el periodo 1997-2010. El Tcant se dividio en sus componentes diapicnico e isopicnico, siendo el primero el responsable principal de la variabilidad del Tcant. La concentracion de CANT juega un papel importante en los dos componentes: el gradiente horizontal de CANT es responsable de su transporte isopicnico hacia el sur, principalmente en las aguas intermedias y profundas del Irminger; mientras que el flujo de las aguas cargadas de CANT es el responsable del alto transporte diapicnico hacia el norte. A escalas de tiempo interanuales a decenales, la variabilidad de la AMOC domina la variabilidad del Tcant, pero a escalas de tiempo mayores es el aumento del CANT el que controla el cambio del Tcant, siendo una consecuencia muy esperable el aumento del Tcant en el Atlantico Norte Subpolar. ----------------- EnglishABSTRACT: The rise in the atmospheric CO2 levels due to human activities (CANT) is softened by its oceanic uptake. But this absorption leads to a suite of chemical changes collectively known as ocean acidification. Although acidification occurs in the world ocean, its impacts tend to be stronger in the high latitude oceans. Moreover, in some regions where vertical movements are relatively fast, i.e., in regions of water mass formation such as the Subpolar North Atlantic, the timescale for deep penetration of CANT is on the order of decades, thus being faster exposed to the acidification effects. This thesis focuses on the acidification and transports of water masses and CO2 in the North Atlantic Subpolar Gyre (NASPG). To determine the effect of the circulation changes in the oceanic uptake and storage of CANT, the water mass distribution, transport and transformation in the NASPG are discussed for the first decade of the 2000s (2002-2010), as well as the inter-annual variability of the water mass structure from 1997 to 2010. The reduction of the magnitude of the upper limb of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) between 1997 and the 2000s is associated with the reduction in the northward transport of the Central Waters. This reduction is partially compensated by the reduction of the southward flow of the lower limb of the AMOC, associated with the decrease in the transports of the Polar Intermediate Water and the Subpolar Mode Water in the Irminger Basin. The box model analysis revealed that the Central Waters, Labrador Sea Water, Subarctic Intermediate Water and Iceland-Scotland Overflow Water from the East North Atlantic Basin cross over the Reykjanes Ridge and enter the Irminger Basin, where they are transformed and/or densified, passing from the upper and intermediate water domains to the deep water domain. The changes in CANT, pH, total alkalinity (AT) and aragonite saturation were evaluated in the main water masses of the Irminger and Iceland Basins for the period 1981-2014. The CANT uptake in both basins led to significant acidification rates in the whole water column, which drive the shoaling of the aragonite saturation horizon at about 10 m/yr. By separating the observed pH changes into an anthropogenic (derived from the CANT uptake, DpHCant) and a non-anthropogenic component (not directly related to the CANT uptake, DpHVar), an attribution to the underlying drivers is provided. At steady state, DpHVar would be constant and all the pH changes would be explained through DpHCant. However, in the upper layers the DpHVar action (driven by the advection of subtropical waters) counteracts the effect of DpHCant, while in the intermediate layers of the Irminger Basin, the effect of DpHVar (derived from the aging of the waters) reinforces the acidification derived from DpHCant. Based on the rates of changes of pH and aragonite saturation, a decrease in 0.31 pH units is inferred for the surface layers by 2065, at which time the entire water column of the Irminger and Iceland Basins will be undersaturated in aragonite. The data also showed significant increasing trends of alkalinity in the deep waters of the Irminger Basin that may be related to the increase in the discharge of the Arctic rivers. Since lateral advection of CANT from middle to high latitudes provides the main supply of CANT to the NASPG, knowing the way this CANT is transported is a crucial issue for understanding how the ocean is storing CANT. In this thesis the inter-annual to decadal variability in the transport of CANT (Tcant) across the Subpolar North Atlantic is investigated for the period 1997-2010. The Tcant was decomposed into its diapycnal and isopycnal components, being the former the main driver of the variability of the Tcant. The CANT concentration plays an important role in both components: the horizontal gradient of CANT is responsible for its isopycnic southward transport, mainly in the intermediate and deep waters of the Irminger Basin; while the CANT-laden waters flowing northwards are responsible for the large diapycnic northward transport. At inter-annual to decadal timescales, the variability of the AMOC dominates the Tcant variability, but the CANT increase seems to control the Tcant change on longer timescales, and it is very likely to cause an increase in the Tcant across the Subpolar North Atlantic.