Onderstaand interview van Bjinse Dankert met Sarah de Bie, is uitgekozen als uitgelicht artikel van Geo.brief 2021-4 (gratis voor leden van het KNGMG). Wilt u lid worden van het KNGMG, dat kan via deze link.

Puzzelen aan het transport van koolstof in de Whittard Canyon

Al vroeg in haar studie Aardwetenschappen (Vrije Universiteit Amsterdam) raakte Sarah de Bie geboeid door de vele processen die het klimaat van de aarde kunnen beïnvloeden. Voor haar MSc-onderzoek mocht ze de eerste puzzelstukjes leggen om het transport van koolstof in de Whittard Canyon in de Atlantische Oceaan scherper in beeld te krijgen. Haar degelijke aanpak, het uitgebreide laboratoriumonderzoek dat ze uitvoerde op het NIOZ op Texel, en de overzichtelijke scriptie die ze afleverde werd dit jaar beloond met de KNGMG Escherprijs 2020.

Sarah de Bie

Zoals het afgelopen jaar gebruikelijk was vinden zowel het interview met Sarah de Bie voor de Geo.brief als haar prijsuitreiking tijdens het afgelopen NAC plaats op dezelfde, welbekende plek: de eigen bureaustoel voor het beeldscherm. Sterker nog, De Bie is tijdens de uitreiking niet eens live in beeld: “Wel wordt een filmpje van drie minuten over mijn onderzoek getoond, waarin ik uitleg wat ik heb onderzocht. Leuk om het zo te doen, al is het best apart om jezelf zo terug te zien, maar ook jammer dat er geen fysieke uitreiking mogelijk was. Dat was natuurlijk een stuk leuker geweest.” Tijdens het interview wordt snel duidelijk dat haar interesse in het klimaatsysteem van de aarde de rode draad vormt in haar studiejaren en ook haar uiteindelijke MSc-onderzoek naar de Whittard Canyon. Zo benadrukt de eerste zin van haar thesis bijvoorbeeld de rol van terugkoppelmechanismen als onderdeel van het klimaat. Al tijdens haar Bachelor Aardwetenschappen aan de Vrije Universiteit Amsterdam dreef interesse in de verschillende processen van Systeem Aarde haar naar de onderzoeksrichting met een focus op klimaatwetenschappen. “De verschillende componenten van het klimaat die elkaar onderling weer kunnen beïnvloeden, dat fascineert mij. De hydrosfeer, lithosfeer, geosfeer, biosfeer en de atmosfeer – ze staan allemaal met elkaar in verbinding. Als er bijvoorbeeld een verandering in de atmosfeer plaats vindt, wat voor effect heeft dat op de andere componenten? Ik heb een passie om het klimaat beter te onderzoeken en te begrijpen, en ik vind het ook belangrijk om mijn kennis verder te delen en bewustwording over klimaatverandering te vergroten.”
Labwerk op Texel / Gedurende een studieproject voorafgaand aan haar MSc-onderzoek hoorde ze van het BYPASS? onderzoek van dr. Furu Mienis (NIOZ). Dat onderzoek richt zich op het transport van sedimenten in mariene kloven, en specifiek dat in de Whittard Canyon, een gigantische mariene kloof gelegen in de Golf van Biskaje. Het onderwerp prikkelde De Bie. Ze zocht contact, reisde af naar Texel om meer over het onderwerp te leren en viel met haar neus in de boter. Er was enthousiasme, er was plek, en materiaalmonsters om aan te werken waren in ruime mate al aanwezig. Ook haar begeleiders aan de VU, dr. Jan-Berend Stuut en dr. Gerald Ganssen, gaven groen licht. “Alle monsters stonden al klaar voor mij in het lab, ik kon direct aan de slag.” Dat ze onmiddellijk in het lab kon starten, betekende ook dat er geen veldwerk meer nodig was. “Dat is jammer natuurlijk. Zo’n expeditie op een onderzoeksschip zou ik in de toekomst graag nog willen doen, je hoort van die mooie verhalen van andere onderzoekers… Natuurlijk ben ik dan wel een beetje bang dat ik ook last van zeeziekte ga krijgen, maar je hoort vaak dat na twee dagen alles weer goed is.” Geen expeditie op de Atlantische Oceaan, maar wel iedere dag zeebenen kweken door vanuit Den Helder heen en weer naar Texel met de veerboot te pendelen. Veel labwerk tijdens de zomer, uitwerken en opschrijven tijdens de herfst en winter van 2019. En hoe meer data er binnen kwam, hoe meer de eerste puzzelstukjes vorm kregen.

Overzicht van de locatie en batymetrie van de Whittard Canyon en de locaties van de geplaatste sedimentvallen (gele cirkels).

Verbindingsweg / Haar onderzoeksgebied, de Whittard Canyon, valt het beste te vergelijken met een onderwaterversie van de Grand Canyon op de overgang van het continentaal plat naar de continentale helling, vertelt De Bie. “Het continentaal plat kent een hoge biologische productiviteit. Hier wordt door fotosynthese veel CO2 uit de atmosfeer opgenomen in de vorm van calciumcarbonaat. Het is bekend dat de mariene kloven de verbindingsweg naar de diepe oceaan vormen. In actieve mariene kloven, zoals de Whittard Canyon, vindt veel transport plaats, waardoor sediment van het continentaal plat naar de diepe oceaan wordt getransporteerd.” Zo vormen mariene kloven een belangrijk radertje in de koolstofcyclus. “Het betekent dat koolstof óf wordt begraven in de canyons óf door de canyons wordt vervoerd naar de diepe oceaan waar het ook kan worden opgeslagen. In beide gevallen keert de koolstof niet terug naar de atmosfeer en maakt het zo geen onderdeel meer uit van de koolstofcyclus. Er is slechts weinig onderzoek gedaan naar het laterale transport van sedimenten en organisch materiaal, dus ook koolstof, naar de diepe oceaan. Terwijl dit een belangrijke component is om mee te nemen in klimaatmodellen voor het beter kunnen inschatten van toekomstige klimaatverandering.” De Whittard Canyon heeft, net zoals de Grand Canyon, meerdere vertakkingen. Voor het BYPASS? onderzoeksproject zijn in de zomer van 2017 in de meest oostelijke vertakking sedimentvallen geplaatst op twee verschillende locaties en op verschillende dieptes (2100 en 3100 meter, respectievelijk, zie figuur). In mei 2018 zijn de monsters opgehaald en zijn de sedimentvallen teruggeplaatst. “Dit vormt het begin van een grotere dataset, zodat er over meerdere jaren gekeken kan worden naar de variatie en de verschillende factoren die van invloed zijn op het transport in de Whittard Canyon. Ik had twee keer twaalf monsterflesjes tot mijn beschikking, dus een sample van elke maand van dat afgelopen jaar voor beide locaties. In een eerdere studie, die zich ook focuste op de meest oostelijke vertakking van de Whittard Canyon, zijn er analyses uitgevoerd op sedimentkernen, die geven informatie over variaties op langere tijdschalen. Monsters uit sedimentvallen bieden informatie over seizoenale verschillen en dus over variaties op een kortere tijdschaal. Voor sedimentvallen was dit de eerste dataset.”

De buit: twee keer twaalf monsterflesjes. De variatie in de hoeveelheid totaal opgevangen sedimentmateriaal is hier al goed zichtbaar

Versheid / Hoofdvraag in haar onderzoek was om de totale flux, dus de hoeveelheid sediment en koolstof die tijdens dat jaar werd getransporteerd, te achterhalen. Voor het maken van zo’n interpretatie bleek een fikse berg aan verschillende data nodig: de stroomsnelheid, stroomrichting en temperatuur van het zeewater, korrelgrootte analyses, organische en anorganische kool- en stikstof concentraties van het gevangen sediment, stabiele koolstof en stikstof isotoopverhoudingen en 210Pb concentraties om de bron van het sediment te kunnen achterhalen. Het meten van stabiele stikstof isotopen is een manier om de zogenaamde ‘versheid’ van het organisch materiaal, voornamelijk fossiele schelpjes en plantrestjes, te bepalen: hoe lang geleden werd het materiaal gevormd? Een van de meer bijzondere resultaten van de bij elkaar gesprokkelde data is dat het verschil in sedimentflux per seizoen goed valt te observeren. De Bie: “Zo vindt tijdens de lente er veel bloei van fytoplankton plaats op het continentaal plat, waarbij het plankton door middel van fotosynthese heel veel CO2 opneemt. In mei zien we een sterke piek in organisch materiaal, dan wordt er veel vers materiaal door de mariene kloof getransporteerd. In de rest van het jaar vindt er minder transport van organisch materiaal plaats, en het materiaal dat nog wordt getransporteerd is veel minder vers. Hierbij gaat het om geresuspendeerd, ouder sediment: materiaal dat al aanwezig was in de canyon en door stromingen weer in suspensie gaat. Om helemaal zeker van deze interpretatie te zijn hebben we het chlorofyl-a gehalte in de monsters gemeten, een andere proxy van de versheid van organisch materiaal. Dit was zo’n analyse die we pas later tijdens het onderzoek bedachten om nog extra te doen, omdat het handig was voor het ondersteunen van onze interpretaties. Naast deze opvallende piek in de lente, zijn er ook in de wintermaanden verschillende pieken van verhoogde sedimentflux te zien; de hoeveelheid materiaal (en dus ook koolstof) die wordt getransporteerd neemt toe als er bijvoorbeeld stormen zijn, waarbij sediment wordt losgewoeld. Dit gaat ook over minder vers, ouder materiaal, dat zie je eveneens terug in de chlorofyl-metingen.” Vergeleken met andere mariene kloven is de Whittard Canyon een wat ongebruikelijk exemplaar. De meeste mariene canyons liggen in het verlengde van riviermondingen, waardoor ze veel aanvoer van terrigeen materiaal ontvangen. Dit gaat niet op voor de Whittard Canyon, die ver is verwijderd van land en aan de grens ligt van een breed continentaal plat. Op het eerste gezicht zou men daardoor kunnen denken dat de canyon inactief is, en dat er dus weinig transport van sedimenten plaatsvindt. Niets is minder waar, zo laat het onderzoek van De Bie zien. “Deels komt dat ook door de geomorfologie, die vrij stijl is, waardoor er veel stromingen zijn. We hebben het transport van de hoeveelheid koolstof in de Whittard Canyon vergeleken met dat in andere mariene kloven, en de Whittard Canyon heeft een even hoog, soms zelfs hogere, flux in koolstof. Het is dus goed mogelijk dat deze mariene kloof een belangrijke rol in de koolstofcyclus speelt, één van de hoofdconclusies van ons onderzoek.”
Publicatie / De eerste puzzelstukjes zijn dus gelegd en die bieden een eerste glimp van het sediment- en koolstoftransport in de canyon. De Bie is zich er terdege van bewust dat haar onderzoek slechts een eerste beginpunt vormt. “In het jaar waarvan ik de data heb onderzocht, was er twee keer sprake van een flinke storm waardoor er onder invloed van zwaartekrachtstromingen veel koolstof en sediment werden getransporteerd. Maar was dit een uitzonderlijk jaar? Of vindt zo’n hoge activiteit ook in andere jaren plaats? Aan de hand van de onderzochte data kun je stellen dat de Whittard Canyon potentieel veel transporteert. Maar om daar stelliger een antwoord op te kunnen geven, zijn data van meerdere jaren nodig.” Dat geldt in nog veel sterkere mate voor het bepalen van de flux van koolstof naar de diepe oceaan. “We hebben wel de berekeningen gemaakt – maar we keken nu naar de flux in de canyon zelf. Het liefst zou je ook een sedimentval voor meerdere jaren in de diepe oceaan willen plaatsen om met zekerheid te kunnen concluderen: de in de canyon getransporteerde koolstof belandt echt in de diepe oceaan. Maar zelfs dan is het nog lastig om te zeggen hoe groot de rol van de canyon is. Eerst zou je moeten vergelijken met globale waarden, en idealiter zou je voor alle canyons wereldwijd willen bepalen wat de laterale flux van koolstof naar de diepe oceaan is. Dan pas zou je een goede eerste schatting kunnen maken van hoeveel CO2 er in de diepe oceaan belandt en welke rol mariene kloven hierin spelen. Momenteel zijn we bezig om deze resultaten samen met de nieuwe data op een rijtje te zetten om hier een mooie publicatie van te maken.” Ook na het afronden van haar MSc-scriptie werkt De Bie nog vrijwel wekelijks in het lab – maar nu in haar functie van junior onderzoeker luchtkwaliteit en klimaat bij TNO waar ze nu ruim een jaar werkt. Haar focus in haar nieuwe baan richt zich op processen die zich in de atmosfeer afspelen: nu meet ze onder andere broeikasgassen en fijn stof en achterhaalt ze de samenstelling van aerosolen. De liefde voor onderzoek naar klimaat en labonderzoek is ook na haar MSc-onderzoek gebleven: “Ik vind het leuk om bezig te zijn in het lab, en om vervolgens mijn eigen data te interpreteren. Het liefst zou ik nog meer in het lab komen.”

Runner ups van de Escherprijs 2020 zijn:

Jingjing Guo
MSc thesis: Tracing soil organic carbon transport in the Carminowe Creek catchment using branched tetraether membrane lipids; Utrecht University
Supervisors: Francien Peterse; Jack Middelburg

Falco van Bakel
MSc thesis: Unravelling sedimentation patterns in the open equatorial Atlantic Ocean during the Late Quaternary – A reconstruction of Saharan dust accumulation and its uncertainties; VU Amsterdam
Supervisors: Frank Peeters; Jan-Berend Stuut