BESA(ME): Biogeochemistry and Ecology of the Sub‐Antarctic (and Mode water 

Export)

William “Barney” BalchBigelow Laboratory for Ocean Sciences

E. Boothbay, ME 04544  USA201

8 OCB

Worksh

op

Roadmap‐ A few vignettes• Brief review of physics of the Southern Oceansystem  and Subantarctic Mode Water

• The Great Calcite Belt and SAMW associations• Chemical and biological conditioning of SAMWby coccolithophores and diatoms

• Eddy influences in the Subantarctic• View of the Great Calcite Belt from the Atlanticbasin and a conceptual model

• Summary

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Southern Ocean‐ Deacon defined the physics of the global system of ocean circulation…

Sir George DeaconPolarFront

SubAntFront

AgulhasRetCurrent

Deacon, G. E. R. (1933), A general account of the hydrology of the South Atlantic Ocean, Discovery Rep., 7, 171‐238.

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Sub‐Antarctic Mode Water:• is a homogeneous layer with uniform density; sitsover lower salinity AAIW

• formation is associated with deep mixed layers, wellventilated with 95% oxygen saturation; 17‐18 Svproduced in all three ocean basins

• density   =26.5 to 27.1• silicate is depleted relative to nitrate (residualnitrate)

• exchange FW and heat between the Southern Oceanand Subtropical gyres

• supply nutrients to adjacent Subtropical gyres• shows circulation time scales of decades

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Fate of SAMW• Estimated to control 75%

of the biologicalproduction  of watersnorth of 30oS

• Controls functionalgroups of these waters,depending on the amountof silicate that “leaks”from the Southern Ocean

• Subducted SAMW arrivesto the equatorial zone~40 years later.

Sarmiento et al., 2004; Nature

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Balch, Bigelow Laboratory for Ocean Sciences

a

Visible PIC color fronts: PF; SAF; STF

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Stn 27; 20m

Stn 119; 7m

CruiseSEMs showing coccolithophores

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Great Calcite Belt sits in high‐velocity circumpolar currents of the Southern 

Ocean…likely sites of high Ekman pumping

Balch et al., 2016; GBC

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Plot surface PIC concentration in temperature/salinity space

20

18

22

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25 26

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28

29

30

31

Isopleths of density; sigma theta PIC (mol m‐3)

0.01

0.003

0.001

0.0003

0.0001

0.00003

30        31       32        33       34        35        36       37        38        39   Salinity

30

25

20

15

10

5

0

Tempe

rature (oC)

PIC (Dec’12)

21

19

23

SAMW;  26.5‐27.1Cerovečki et al., 2013

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Coccolithophore calcification lowers the alkalinity and increases the pCO2

Nick Bates, BIOS Balch et al., 2016; GBC

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‐Big diatoms, well silicified;‐Picos, nanos, coccos and dinosoutcompeted‐Low calcificationNet CO2 drawdown (NCOP>NCC)‐High Export flux‐Low transfer efficiency

‐Coccos & small diatoms dominate (e.g. small Fragillariopsis)‐Picos, nanos, dinos coexist and covary‐No impact on pCO2 (NCOP = NCC)‐Moderate Export flux‐Low‐moderate transfer efficiency

‐Coccos outcompete diatoms,picos, nanos,  and dinos

‐High calcificationNet CO2 source (NCC>NCOP)‐Moderate Export flux‐High transfer efficiency

‐Coccos , dinos, nanos and picos coexist and covary‐Low to moderate calcification‐Neutral to slight pCO2 source (NCC=>NCOP) Moderate Export flux

Mandala for biogeochemistry and ecology in the GCBIro

n concen

tration 

Balch et al., 2016; GBC

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Eddies and Sub‐Antarctic Mode Water

Koch‐Larrouy et al. 2010, Ocean Dynamics

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PIC‐rich eddies

• Eddies spinningoff of SAF

• PIC rich eddiessurvive formonths

• Seen previouslyRead JF etal.(2007) DSR II

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Altimetry day shows importance of eddy mixing…

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Community Earth System model (CESM)• Global eddy‐resolving

integration of CESM Upper100m integrals

• Includes ocean BGCcomponent called theBiogeochemical ElementalCycle (BEC) mode

• Represents multiple nutrientco‐limitation (N, P, Si, and Fe)

• 3 explicit phytoplanktonfunctional groups (diatoms,diazotrophs, and “small”pico/nano phytoplankton),and one implicit group(calcifiers)

Long, NCAR

NO3 (mol m‐2)

2.8

2.0

1.2

0.40

10

7.5

5

2.5

0

Si(OH)4 (mol m‐2)

PIC prod.(mol m‐2) 

166.32.510.390.250.0630.0250.01

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Low [coccolithophores] in the Equatorial Atlantic…why?

Balch et al., GBC.  in review

SAMW

10 AMT Cruises

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Conceptual View of Subantarctic mode water export… “So what?”

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Summary: BESA(ME)Biogeochemistry and Ecology of the Sub‐

Antarctic (and Mode water Export)• The biogeochemistry and ecology of the Subantarctic (asdescribed in the mandala) likely influence the BGC andecology of the subtropics and tropics

• The linkages are physical (via SAMW)• Minerogenic phytoplankton (diatoms and calcifiers)condition SAMW prior to its subduction, which could affectgrowth of ballast‐producers and export of waters well to thenorth

• BESA(ME) cruises in January 2019, 2020 in Indian Sector ofthe Southern Ocean (Balch [BLOS], McGillicuddy [WHOI],Long[NCAR], Morton[SFU], Bates[BIOS], Brownlee[MBA,UK])

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Thank you!ACKNOWLEDGEMENTS:• Bruce Bowler, Dave Drapeau, Laura Lubelczyk & Sarah Rauschenberg

(Bigelow Laboratory for Ocean Sciences), Annie Warner & Brittney Honisch(Colby College); Rebecca Garley, Dafydd Evans, Kristen Shake & AndrewCollins (BIOS); Steven Pike, Dan Ohnemus, Sarah Rosengard & MaureenWisch (WHOI), Rebecca Fowler (Columbia Univ.), Marina Van der Eb (U.Maine Orono), Michael Brown (Rutgers), Patrick Holligan, Jason Hopkins &Helen Smith (NOC), Cecilia Balestreri (MBA, Plymouth, UK), Angel Ruacho,Matt Durham & Daniel Young, Melissa Miller, John Calderwood, BrentDevries (SIO); Norman Kuring‐ NASA Goddard

• Captains and crew of: R/V Melville and R/V Revelle• Goddard Ocean Color Group; Ocean Data View• NASA and NSF support

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