Influence of Saharan aerosols on phytoplankton biomass in the tropical North Atlantic Ocean

Abstract

Atmospheric transport of aerosols from desert regions of Africa supply nutrients, such as iron, to oligotrophic oceanic waters. Phytoplanktonic organisms in surface waters use bio-available Fe, increasing their rate of photosynthesis. This work investigates the possible atmospheric Fe fertilization of oligotrophic North Atlantic and Caribbean waters. Level 3 weekly averaged images from SeaWiFS, MODIS Terra and MODIS Aqua satellite sensors were used to retrieve aerosol optical thickness (AOT) and chlorophyll concentration (Chl_a) data from Sept. 1997 through Dec. 2007. Results are presented for three areas in the Tropical North Atlantic Ocean and the Caribbean Sea, located at 17.5°N, 67.0°W, Caribbean Time Series Station (CaTS), 19°N, 57°W Western Atlantic Ocean and 20°N, 67°W Atlantic, North of Puerto Rico. A time series analysis exhibited a seasonal cycle with a summer maximum for mean AOT concentration. The strongest correlation between both parameters was observed for the Western Atlantic Ocean with a time-lag of approximately 1 month between AOT and Chl_a. Visible reflectance spectroscopy (VRS) and trace element analysis were used to assess the presence of Fe in Saharan dust. Iron content was measured in samples from desert regions in Africa, starting from their source (African soil samples), their transformation across the Atlantic Ocean (Saharan dust collected at sea) and finally in the fraction reaching remote land areas (filtered air samples collected in Puerto Rico). Iron oxide mineral content was determined using reflectance spectroscopy and first derivative analysis. Distinctive peaks of two iron-bearing minerals, hematite and goethite, in the first derivatives were observed (555 to 580 for hematite and 435 nm for goethite). In addition, Fe and Al trace element concentration was analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). The analysis showed evidence of the presence of Fe in all our samples. Results showed higher percent Fe in the finer particle size samples transported away from the desert. Finally, satellite and in-situ AOT and Chl_a measurements were compared for the Tropical North Atlantic Ocean during March 2004 to observe the potential of satellite measurements in estimating atmospheric and oceanographic bio-optical properties. Aerosol and Chl _a measurements were obtained onboard the NOAA Ship Ronald H. Brown during the Aerosol and Oceanographic Science Expedition (AEROSE, February 29 - March 26 2004). This data were compared with two GIOVANNI (GES DISC Interactive Online Visualization and ANalysis Infrastructure) products, AOT (MODIS Aqua) and Assimilated Total Chlorophyll. Results showed a strong linear relation (R2 = 0.86) between satellite and field AOT measurements. A strong relationship (R2 = 0.76) was also observed between shipboard and satellite Chl_a, although the satellite product tended to underestimated chlorophyll concentrations relative to the field data. Also, monthly Giovanni’s AOT and Chl_a products were compared to determine if a relationship between African dust input and Chl_a concentration can be established using Giovanni’s satellite data. A time-lag of one month between AOT and Chl_a was also observed. Since the studied period (March 2004) coincided with one of the biggest dust storms for this season we examined AOT values and the North Atlantic Oscillation (NAO) index for the Western Atlantic Ocean Station (19ºN, 57ºW) to determine if the unusual dust event encounter during March 2004 was related to the NAO. A weak linear relationship between both parameters was observed.

El transporte atmosférico de aerosoles desde regiones desérticas de África provee nutrientes, como hierro, hacia zonas oligotróficas de los océanos. Los organismos del fitoplancton en aguas superficiales utilizan el Fe bio-disponible aumentando así la tasa fotosintética. En éste trabajo se investiga la posible fertilización de Fe atmosférico en aguas oligotróficas del Océano Atlántico Norte y del Mar Caribe. Imágenes de satélite (Nivel-3, promedios semanales) de SeaWiFS, MODIS Terra y MODIS Aqua fueron utilizadas para obtener datos de densidad óptica atmosférica (AOT) y concentración de clorofila (Chl_a) desde septiembre 1997 a diciembre 2007. Se presentan resultados para tres áreas del Océano Atlántico Norte y del Mar Caribe, localizadas en 17.5°N, 67.0°W, Caribbean Time Series Station (CaTS), 19°N, 57°W, Océano Atlántico Oeste y 20°N, 67°W, Atlántico (Norte de PR). El análisis de serie de tiempo exhibe un patrón estacional con valores máximos de AOT durante el verano. La correlación más fuerte se observó para la estación de Océano Atlántico Oeste con un desfase en tiempo de aproximadamente un mes entre AOT y Chl_a. La presencia de Fe en muestras de polvo del Sahara fue determinada utilizando técnicas de espectroscopia de reflectancia visible y análisis de elementos traza. El contenido de Fe fue medido en muestras de sedimento de regiones del Norte de África, muestras de polvo colectadas en el mar y muestras de aire filtrado colectadas en PR. El contenido de óxido de Fe mineral se determinó mediante análisis espectral y primera derivada. Todas las muestras presentaron picos distintivos en las primeras derivadas de dos minerales que contienen Fe, hematita y goetita (555-580 para hematita y 435 nm para goetita). Además, la concentración de los elementos traza, Fe y Al, fue medida por la técnica de espectrometría de masas (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS). El análisis mostró presencia de Fe en todas las muestras con una mayor concentración en las muestras de tamaños finos (muestras de aire filtradas). Finalmente, datos de satélite y de campo de AOT y de Chl_a fueron comparados para el Océano Atlántico Norte Tropical durante Marzo 2004 para observar el potencial de las medidas de satélite en estimar propiedades bio-ópticas atmosféricas y oceánicas. Datos de AOT y Chl_a se obtuvieron a bordo del barco NOAA Ronald H. Brown durante la expedición oceanográfica, Aerosol and Oceanographic Science Expedition (AEROSE, Febrero 29 - Marzo 26 2004). Estas medidas fueron comparadas con dos productos de Giovanni (GES DISC Interactive Online Visualization and ANalysis Infrastructure), AOT (MODIS Aqua 550) y Clorofila Total Asimilada. Los resultados muestran una fuerte relación linear (R2 = 0.86) entre las medidas de satélite y de campo de AOT. Una fuerte relación (R2 = 0.76) se observó también entre la Chl_a de satélite y de campo, pero el producto de Giovanni subestimó las concentraciones de Chl_a en relación a las medidas en el barco. Además, productos mensuales de Giovanni de AOT y Chl_a se compararon para determinar si se puede establecer una relación entre la entrada de polvo de Sahara y la concentración de Chl_a utilizando datos de Giovanni. Se observó un desfase entre AOT y Chl_a de aproximadamente un mes. Marzo del 2004 coincidió con una de las tormentas de polvo más fuertes para la región. Con el fin de determinar si el evento estaba relacionado a la Oscilación del Atlántico Norte (NAO), se examinaron valores de AOT en relación al índice de NAO de para la estación de Océano Atlántico Oeste (19º N, 57º W). Los resultados mostraron una débil relación linear entre ambos parámetros.