| Summary: | Memoria de tesis doctoral presentada por Sergio M. Vallina Fernández para obtener el título de Doctor en Ciencias del Mar por la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), realizada bajo la dirección del Dr. Rafel Simó Martorell del Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC).-- 168 pages [EN] The CLAW hypothesis postulates that an increase in solar irradiance or in the heat flux to the ocean can trigger a biogeochemical response to counteract the associated increase in temperature and available sunlight. This natural (negative) feedback mechanism would be based on a multi-step response: first, an increase in seawater dimethylsulfide concentrations (DMSw ) and then its fluxes to the atmosphere (DMSflux ); second, an increase in the atmospheric cloud condensation nuclei (CCN) burden as a consequence of DMS oxidation to form biogenic CCN (CCNbio ); third, an increase in cloud albedo due to higher CCN numbers. Therefore, DMS is suggested to exert a cooling effect on the Earth radiative budget through its involvement in the formation and optical properties of tropospheric clouds over the ocean. Such a feedback has been regarded as a potential natural mechanism that might partly counteract anthropogenic GlobalWarming. This hypothesis, although suggestive, is highly speculative and some of itsmain postulates remain unproved. In this study we sought to contribute to the current knowledge of the oceanic biogenic sulfur cycle and its potential impact on climate by addressing some relevant open questions regarding the CLAW hypothesis. The climatic factor that drives oceanic DMS production, the impact of DMS oxidation on atmospheric CCN, and the potentiality of DMS to counteract Global Warming are investigated in detail based on modeling and data analyses. A new one-dimensional (1D) model of DMS dynamics (DMOS) is developed and coupled to a pre-existing ecological model that explicitly simulates the microbial-loop. The model is applied to the Sargasso Sea in order to explain what drives DMS seasonality. We have conducted a series of modeling experiments where some of the DMOS sulfur paths are turned ’off’ or ’on’, and the results on chlorophyll-a, dimethylsulfoniopropionate (DMSP; the DMS precursor) and DMS concentrations have been compared with the vertical profiles of these same variables measured during the years 1992 through 1993. Solar-induced DMS exudation by phytoplankton outstands as the process without which the model is unable to produce realistic DMS simulations and reproduce the DMS summer-paradox. The analysis of a global DMS database as well as local DMS time-series (Blanes Bay and Sargasso Sea) have revealed that it is the solar radiation dose in the upper mixed layer (or SRD) the climatic factor that seems to drive DMS dynamics. With a spatially resolved perspective, our analysis of globally derived SRD and DMS climatologies shows that the seasonal couplings between SRD and DMS are very tight and widespread over the Global Ocean, irrespective of latitude, temperature, and phytoplankton biomass. From these results, we have been able to obtain a global predictive diagnostic equation that relates DMS concentrations to the SRD. Statistical analyses of satellite and model-derived global data of several oceanic and atmospheric variables suggest that DMS oxidation can indeed be a major source of CCN over oceanic regions far from continental aerosol sources (eg. Southern Ocean, Subtropical South Pacific), especially in summer when the oxidation efficiency of DMS is the highest. Small sea-salt (SS) aerosols, although quantitatively important, do not seem to control CCN seasonality over the Southern Ocean, a region were SS production is amongst the highest of the world due to the constant presence of strong winds. Rather, they appear to conform a fairly constant background of CCN. Differences in the seasonalities of wind speed and the small-mode fraction of aerosols support these conclusions. [.] [ES] La hipótesis de CLAW establece que un incremento en la radiación solar o de los flujos de calor hacia el océano puede producir una respuesta biogeoquímica para contrarrestar el incremento de temperatura o radiación solar. Este mecanismo de retroalimentación se produciría en varios pasos: primero, habría un incremento de la concentración de dimetilsulfuro disuelto en la superficie del océano (DMSw ) y por tanto de su emisión a la atmósfera; segundo, como consecuencia de la oxidación del DMS en la atmósfera se produciría un incremento de la producción de núcleos de condensación de nubes (CCN) de origen biogénico (CCNbio ); tercero, gracias al incremento en CCN se aumentaría el albedo de las nubes. Por tanto, se ha sugerido que el DMS da lugar a un efecto refrigerante sobre los flujos radiativos de la Tierra a través de su efecto sobre la formación y las propiedades ópticas de las nubes de la troposfera oceánica. Dicho mecanismo de retroalimentación se ha propuesto que puede actuar como un proceso natural que podría contrarrestar en parte el Calentamiento Global de origen antropogénico. Esta hipótesis, aunque sugestiva, es muy especulativa y algunos de sus postulados principales continúan sin haber sido probados. En este estudio se pretende contribuir al conocimiento actual del ciclo del azufre biogénico marino y de su impacto potencial en el clima en base a abordar algunas preguntas que permanecen sin respuesta con respecto a la hipótesis de CLAW. El factor climático que gobierna la producción oceánica de DMS, el impacto de la oxidación atmosférica del DMS en los CCN, y el potencial de DMS para contrarrestar el Calentamiento Global son investigados en profundidad basándose en modelización y en el análisis de datos. Se ha desarrollado un modelo en una dimensión (1D) de la dinámica del DMS (bautizado ’DMOS’) y se acopló a un modelo de ecosistema pelágico pre-existente que simulaba explícitamente el bucle microbiano. El modelo se aplica al Mar de los Sargazos para intentar explicar qué proceso dirige la estacionalidad del DMS. Se realizaron una serie de experimentos (virtuales) con el modelo a partir de activar o desactivar algunos de los procesos presentes en DMOS. Las simulaciones obtenidas de clorofila-a, dimetilsulfoniopropionato (DMSP; el precursor del DMS), así como las concentraciones de DMS se comparan con perfiles verticales de las mismas variablesmedidos in-situ durante los años 1992 y 1993. La exudación de DMS por parte del fitoplancton como respuesta a altos niveles de radiación solar aparece como el proceso clave, sin el cual el modelo no es capaz de simular correctamente el DMS ni reproducir la ’DMS summer-paradox’. El análisis de una base de datos global de DMS así como de series temporales de DMS en lugares específicos (la Bahía de Blanes y el Mar de los Sargazos) reveló que la radiación solar recibida en la capa de mezcla oceánica (o SRD) es el factor climático que parece dirigir la dinámica del DMS. Desde un punto de vista global pero teniendo en cuenta la distribución espacial, el análisis de mapas globales mensuales climatológicos de SRD y DMS muestran que el acoplamiento estacional entre SRD y DMS es muy alto en la gran mayoría de la superficie oceánica, sin importar la latitud, temperatura o biomasa de fitoplancton. A partir de estos resultados se ha obtenido una ecuación predictiva diagnóstica que relaciona la concentración de DMS con la SRD. [.] This thesis has been funded by the Spanish “Ministry of Education and Science” (MEC) through a PhD studentship under the program “Formación de Personal Investigador” (FPI) Peer Reviewed
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