High temporal resolution measurement of ebullition in a subtropical reservoir

Abstract

Resumo: Corpos d'água, tanto natural quanto artificial, são fontes de metano para a atmosfera. O metano é formado no sedimento de reservatórios a partir da decomposição da matéria orgânica em condições anóxicas. Apesar do metano ser liberado para a atmosfera por três processos principais: ebulição, difusão e através de plantas com raiz, a ebulição é o caminho predominante. A ebulição é um processo complexo. Depende espacialmente de fatores que atuam sobre grandes distâncias (mudanças de pressão atmosférica, incidência de ventos, entre outros), fatores que agem localmente (características do sedimento, produção de gás, biota, etc.) e varia temporalmente devido às oscilações dos parâmetros com o tempo. O objetivo principal desta pesquisa foi obter medições contínuas de ebulição em um reservatório de água localizado em Curitiba - PR, Brasil, avaliar a variabilidade temporal das emissões e investigar possíveis correlações com condições ambientais. Três armadilhas automáticas de captura de gás (ABT), que são funis invertidos que permanecem submersos na coluna d'água, foram utilizados para realizar medições contínuas do fluxo de gás com registros em intervalos de 15 segundos. Dados auxiliares foram obtidos com medições realizadas diretamente no reservatório ou a partir de estações instaladas nas proximidades da área de estudo. Os resultados obtidos pelos ABTs estiveram de acordo com medições feitas com funis convencionais. A serie temporal de dados de ebulição evidenciou a grande variabilidade temporal existente, os fluxos com menor intensidade ocorreram com maior frequência e predominando intervalo entre eventos menor que 10 minutes. As emissões variaram espacialmente, sendo os maiores fluxos registrados no ponto de média profundidade (P2). Foi observado nos fluxos uma forte variação sazonal. O fluxo médio registrado durante o verão no ponto P2 foi 16 vezes superior ao fluxo médio que ocorreu durante final do outono e início do inverno. Essas variações foram atribuídas a uma combinação de alterações das condições químicas da coluna d'água e às características de armazenamento do gás no sedimento. Além disso, fluxos de maior intensidade estiveram correlacionados à períodos de redução na pressão atmosférica e à incidência de ventos com maior intensidade. Por fim, foi mostrado que medições realizadas durante curtos períodos tendem a subestimar o fluxo médio de gás. Palavras-chaves: Variação temporal. Armadilha automática para bolhas. Emissão de metano

Abstract: Water bodies, either natural or man-made impounded areas, are sources of methane to the atmosphere. Methane can be formed in the anoxic region at bottom sediments of reservoirs by decomposition of organic matter. Although there are three main ways through which methane reach the atmosphere: ebullition flux, diffusion flux and through rooted plants, the ebullition flux is the dominant pathway. Ebullition is a complex process spatially dependent on factors acting over large distances (atmospheric pressure changes, wind, so forth) and factors acting locally (sediment characteristics, gas production, biota, etc), and temporal variable due to parameters' oscillation with time. As a consequence, the temporal resolution of measurements and their sampling time have an effect on understanding the process and in determining ebullition rates. The main objective of this research was to obtain continuous measurements of ebullition in a freshwater reservoir located in Curitiba - PR, Brazil, to evaluate its temporal variability, and to investigate possible correlation with ambient conditions. Three Automated Bubble Traps (ABT), which are inverted funnels that stay submerged in the water column, had been used for continuous measurement of gas flux in time steps of 15 seconds. Auxiliary data were obtained either through direct measurement in the reservoir or from stations nearby the study site. ABTs measurements agreed with measures from conventional funnels. The time series data showed the large temporal variability in ebullition, the less intense fluxes occurred with higher frequency and prevailing a time interval between events smaller than 10 minutes. Emissions fluxes varied spatially; the largest mean fluxes were recorded from the middle depth location (P2). A strong seasonal variation was observed in the fluxes. The mean gas emission recorded during summer time at P2 was sixteen-fold the mean flux of late fall and beginning of winter period. The variations were attributed to a combination of changes in the water column chemical conditions and sediment characteristics of gas storage. In addition, high flux events were correlated with reductions in the atmospheric pressure and increased winds intensities. Lastly, it is showed that short-period of sampling time tends to underestimate the mean gas emission flux. Key words: Temporal variability. Automated Bubble Trap. Methane emission.