Global Biogeochemical Cycles

2023

Two catchments: one with dominant silicate geology and C3 vegetation and one with dominant carbonate geology and C4 vegetation. Which δ13C and Δ14C values do you expect in the soil organic matter and the dissolved inorganic matter in the draining rivers? (5/20) Assume Δ14C of the atmosphere to be 0‰ and the Δ14C of fossil rocks to be -1000‰. Assume the δ13C of the atmosphere to be 0‰.
Two lakes: one shallow and well-mixed, the other deep and permanently stratified (4.5/20).
- Give and explain the different processes/pathways for CH4 emssions and describe why they are difficult to quantify.
- Will there be a difference in CH4 emission between the two lakes? Explain.
- Do you expect a difference in δ13C values of the CH4 emitted between the two lakes? Why/Why not?
Briefly explain following concepts (4.5/20):
- Rain ratio
- Secular equilibrium (in the context of radionuclides)
- NECB
The link between nutrient distribution and bioproductivity within the ocean and ocean circulations (6/20):
1. Draw the depth profile of disolved posphate (PO4 ³-) concentrations for the North Atlantic, the North Pacific and the Southern Ocean and explain why you draw it like that. (Take notice of the differences at different depths, it's the shape that matters, not the absolute numbers) How can this be explained with global ocean circulations? Draw on the provided map of the world to illustrate.
2. Will the graphs look similar for nitrate (NO3 -)? Explain your reasoning.

2 figures are given (see slides Stable isotopes in biogeochemistry). (There was more explanation, but something like this:) Assume that the building of the shell takes place in aragonite-dominated waters. (6/20)
- Explain the background processes to the right figure.
- (Not sure of the second question.) How does the process on the right figure explain the variation in delta 18O?
- Assume that the shell resides in an aquatic environment that doesn't experience seasonal variations in temperature. What other processes can explain the variations in delta 18O?
Explain the main sources and sinks of global atmospheric CH4. What are the driving factors behind these processes? How are the global CH4 concentrations spread out? Are there seasonal variations in these concentrations? Are these specific human structures/activities that influence the sources and sinks of CH4? (3.5/20)
Explain the following: (4.5/20)
- Blue carbon (coastal systems)
- BIF (Banded Iron Formations)
- coccolithophores and their relationship with atmospheric CO2
Colored global map is given of the nitrate concentration and contour lines of the 14C-DIC ages at a 3000-meter depth. Explain why there is such a good correlation between both of these measures. (6/20)

We have a tree of 150 years in our Campus and we take δ13C and Δ14C measurements
1. which long-term trends do you expected for these measurements and why?
2. which mechanisms explain the inter annual variation?
Question 2: Reservoir
1. Explain the role a reservoir has on the environment concerning sediments, nutrients, CH4, CO2 (you have to put several elements of the course together). Reservoir is situated in a semi-arid climate with a clear wet and dry season. The reservoir has a deep-water outlet with a constant discharge.
2. Do you expect seasonal changes in delta18O values of the water? Would there also be a difference in delta18O upstream and downstream of the reservoir?
Explain the relationship between nitrate and 14C-DIC age of deep ocean waters. Map is given (slide 76 ocean biogeochemistry).
Explain graphically and in words the common approach used to partition in the CO2-sink of the Earth system between terrestrial and ocean systems.

De invloed van verwering van gesteenten op de hoeveelheid atmosferisch O2 en CO2
Welke methode gebruikt het IPCC om de terrestrial en ocean carbon sink te bepalen (geef tekening) en geef de temporele variaties
Koolstoffractionatie C3 en C4 planten, wat zijn de verschillen en hoe komt dit? geef twee voorbeelden hoe dit gebruikt kan worden in landschaps- en klimaatreconstructie
grafiek van in de slides met P-verdeling in verschillende oceanen. Verklaar deze ruimtelijke patronen.
geef de belangrijkste natuurlijke en antropogene methaan bronnen en wat zijn de menselijke impacten op de methaancyclus

Vragen van LBK

(1 vraag uit de lijst was schriftelijk, je mocht kiezen welke en andere 3 vragen waren mondeling)

profiel van delta 13C-organic C ifv de diepte gegeven van 2 sites A (bos) en B (savanna) en ze liggen 100 m van mekaar af. bespreek die 2 sites (A was delta 13C een contant bij -28% en B had bovenaan -16% en boog af naar beneden naar -28% op 60cm diepte) en geef een mogelijkheid/heden om te dateren.
Oceaan in een netto sink. i) bespreek kort biological en physical carbon pump (bij biological pump wou hij ook iets over efficiëntie en nog iets horen). ii) wat betekent rain ratio.
Geef verschillende mogelijkheden van N2 uitwisseling van atmosfeer met terrestrial en ocean milieu. En geef een vb van hoe de mens 1 van deze heeft beïnvloed. (ik had landbouw gezegd, maar hij hoorde ook graag bij N2 fixatie iets over BNF (biological nitrate fixation, dus uw planten modificeren zodat ze zelf stikstof kunnen uit de lucht halen ipv dat ze dat moet worden toegediend. hij gaf als voorbeeld erwtplanten)
Geef verandering van CO2 concentratie en bespreek met een voorbeeld
1. geological time scale
2. decadal time scale
3. annual time scale

De CO2 concentraties varieren op verschillende tijdsschalen: geologisch, decade, jaar, dag. Beschrijf voor elk een belangrijk proces en de invloed op de CO2-conc.
Wat zijn de belangrijke bronnen en sinks van methaan? Geef 2 menselijke invloeden hierop.
Het figuurtje van de C3 en C4 planten met de verschillende delta13C-waarden. Leg de verschillende mechanismen uit en verklaar de verschillen.
Geef de 2 belangrijkste koppelingen tussen de Si cyclus en de C cyclus
Figuurtje over delta13C waarden van DIC over de verschillende latitudes en voor 2 jaren: bespreek de variatie (gaat over meer/minder respiratie, carbonaatneerslag e.d.) en het verschil tussen de 2 jaren (1973 en 1990 ofzo, gaat over de stijging van CO2-conc door fossiele brandstoffen en dus een daling in de delta13C-waarde) Supervriendelijke en rustige kerel die veel moeite doet om alles eruit te halen wat erin zit!

Vragen van LBK

Geef de belangrijkste microbiele processen die de N2 flux tussen atmosfeer en biosfeer/terrestrische sfeer (N2 fixatie, nitrificatie + denitrificatie, anammox). Geef een voorbeeld van menselijke invloed op een van deze mechanismen (Verhoogde N2 fixatie door teelt Leguminozen)
- Bijvragen: Is er ook N2 fixatie in de hydrosfeer (ja) en wat is het voordeel van anammox tov denitrificatie bij waterzuivering (geen lachgas).
Leg de biological carbon pump en de carbonate counterpump uit en link dit aan de netto CO2 flux over de interfase atmosfeer - oceaan.
- Bijvraag: Gaat opwellend water netto een source of sink zijn? (source want diepe waters zijn CO2 rijk)
Bespreek
1. Een gegeven (typisch) diepteprofiel van een nutrient (Posphaat) in de oceaan, + 4 licht verschillende profielen, wat kan de oorzaak van verschillen zijn?
2. 243Th , 3 tyische grafiekjes van activiteit tov activiteit 238U , leg uit
Door menselijke invloed is er meer N depositie. Wat kan het effect hiervan zijn op functionaliteit en productiviteit? Zou de impact hiervan groter zijn bij hogere CO2 concentraties?
Welke informatie haal je uit delta(18O) van calcietvormende organismen (bivalven, koralen..)?