Meteoritkrater blev lab för internationell forskningsexpedition

 Tvären är egentligen en cirkelformad krater som bildades av ett meteoritnedslag för sisådär 450 miljoner år sedan. Kratern är cirka två kilometer i diameter och går mer än 200 meter ner i urberget. Med tiden har mer än halva kraterhålet fyllts av sediment och kalksten, men har fortfarande ett vattendjup på cirka 75 meter.

– För oss har det varit ett optimalt ”labb”. Vattenmassan i Tvären består av flera gradienter, från ytvatten längst upp ner till periodvis syrefritt bottenvatten. Som ett Östersjön i miniatyr, säger Christian Stranne, docent vid Institutionen för geologiska vetenskaper vid Stockholms universitet och ledare för expeditionen.

Studerar metanets väg från botten till atmosfär

Expeditionen samlar forskare från flera institutioner vid Stockholms universitet tillsammans med kollegor från Leibniz Institute for Baltic Sea Research Warnemünde (IOW) i Tyskland, University of Exeter I Storbritannien och Université de Bretagne Occidentale (UBO) i Brest, Frankrike.

Ombord på forskningsfartyget R/V Electra af Askö har forskarna undersökt de processer som styr dynamiken för hur metan och anda växthusgaser frigörs från bottensedimentet och transporteras vidare genom vattenmassan, upp till havsytan och vidare ut i atmosfären.

– Under de här veckorna har 29 forskare och medarbetare från fem institutioner i fyra länder kommit och gått, med olika typer av provtagning och experiment som ska samordnas. Det har ställt stora krav på både planering och flexibilitet. Och allt har gått bra – faktiskt bättre än jag hade vågat hoppas på, säger Christian Stranne.

Vetenskaplig bredd

En av projektets styrkor är den vetenskapliga bredden, konstaterar Chistian Stranne:

– Vi har släppt drifters för att följa strömmarna, tagit vatten- och sedimentprover för bland annat DNA- och RNA-analyser. Vi har också gjort inkubationsexperiment för att studera processerna i sedimenten, kartlagt metanbubblor med hydroakustik och gjort mycket högupplösta mätningar av lösta gaser och andra ämnen i vattenmassan, berättar han

Den första intensiva fasen av expeditionen fokuserade på fysisk oceanografi. Forskarna släppte ut ett rött fluorescerande spårämne i vattnet och följde dess spridning genom vattenmassan under flera dagar. Experimentet kompletterades med mätningar av horisontella strömmar på olika djup med hjälp av drivande bojar samt akustiska strömningsmätningar (ADCP).

På så sätt kunde forskarna mäta hur snabbt vattnet blandas både vertikalt och horisontellt – viktiga processer som styr hur lösta ämnen, till exempel metan, transporteras från djupare vattenlager upp mot havsytan.

– Experimentet fungerade mycket väl. Vi kunde följa spårämnet under flera dagar och observera hur det gradvis spreds genom vattenmassan. Det ger oss möjlighet att direkt mäta den vertikala omblandningen och hjälper oss att förstå hur snabbt löst metan och andra ämnen kan transporteras uppåt, säger Christian Stranne.

Mikrober både äter och producerar metan

En annan viktig del har varit att studera processerna i gränsskiktet mellan havsbotten och vattnet ovanför. Detta har gjorts genom att samla in sedimentkärnor, porvatten- och vattenprover samt kombinera dessa med mätningar av metan och andra växthusgaser, kartläggning av havsbotten och akustiska observationer av metanbubblor som lämnar sedimenten.

Metan produceras i bottensedimenten. En del lämnar sedan botten som bubblor. Det forskarna vill förstå är vad som sedan händer: Hur mycket löser sig i vattnet? Hur snabbt transporteras det vidare? Hur påverkas det av omblandning och strömmar och hur mycket hinner mikroorganismer omsätta?

Mikroorganismerna är centrala i hela förloppet. I sedimentet finns nämligen ”metanproducerande” mikroorganismer. Samtidigt finns där också andra mikroorganismer som istället konsumerar metan. Balansen mellan mängden ”producerande” och ”konsumerande” styrs av flera olika faktorer (skiktade vattenmassor, säsongsbunden syrebrist´, mm) och är avgörande för hur mycket metan som frigörs och slutligen når atmosfären.

– Med hjälp av molekylära metoder, såsom DNA-sekvensering, kan vi identifiera mikroorganismerna i våra sediment- och vattenprover och avgöra om det är de organismer som bryter ner eller de som producerar som är mest aktiva i ett visst område. I områden där det frigörs mycket metanbubblor från botten är det naturligtvis särskilt intressant för oss att ta prover, säger Anna Wallenius, miljömikrobiolog vid Östersjöcentrum.

Kartlägger hela kedjan

Med den tvärvetenskapliga kombinationen av fysisk oceanografi, geologi, sedimentbiogeokemi, mikrobiell och pelagial ekologi och mätningar av växthusgaser vill forskarna förstå hela kedjan från metanproduktion i sedimenten, via transport och omvandling i vattenmassan, till ett eventuellt utsläpp till atmosfären.

– Vår vision är att få koll på alla delar, alla faser, i metanproduktionen från Östersjöns kustmiljöer. Hur mycket produceras i sedimenten? Vad styr hur utsläppen transporteras genom vattenmassan och hur mycket som till slut når atmosfären? säger Christian Stranne.

På längre sikt är ambitionen att utveckla Tvären till ett naturligt observatorium där återkommande mätningar och experiment kan visa hur utsläppen av växthusgaser från kustmiljöer varierar över tid och hur de kan påverkas av framtida miljö- och klimatförändringar.

– Mycket kring utsläppen av metan kustzonen är fortfarande okänt. Men mycket tyder på att de står för en betydande del av de totala utsläppen, och därmed bidrar väsentligt till klimatförändringarna, säger Christian Stranne.

Intressanta preliminära resultat

Efter långa och arbetsintensiva veckor ute i fält är forskarna dock inte helt färdiga med Tvären för den här gången.

– Om ett par veckor kompletterar vi mätningarna med seismiska profiler tvärs över Tvären. Då kan vi titta under havsbotten och få en bild av den djupare geologiska strukturen, säger Christian Stranne.

Det är ännu för tidigt att presentera några definitiva resultat av expeditionen. Det mesta av allt insamlat material återstår att analysera. Forskarna har dock redan identifierat en del observationer som ser särskilt spännande ut. Till exempel visar de preliminära mätningarna med WEGAS stora variationer i metanhalterna i vattnet nära botten – och att dessa halter tycks kunna förändras inom ganska korta tidsskalor.

– Om det mönstret håller när vi har analyserat hela materialet är det intressant, eftersom det skulle kunna betyda att metansystemet i Tvären är betydligt mer dynamiskt än vi tidigare föreställt oss, säger Christian Stranne, och fortsätter:

– Än så länge har vi fler frågor än svar – men det är väldigt intressanta frågor vi tar med oss från den här fältkampanjen.