Bubbles and the air‐sea transfer velocity of gases

Abstract

Abstract The exchange of gases between the atmosphere and the oceans may occur directly through the sea surface and indirectly through the mediation of additional transient reservoirs: the bubbles injected into the upper ocean by breaking waves. These bubbles both will increase the gross rate of exchange between air and sea and will tend to force a supersaturation of the upper ocean. These two effects are made explicit by writing the equation for the net air‐sea flux of a gas as F = (K0 + Kb)[C — Sp(1 + ?)], where Kb is the contribution of bubbles to the transfer velocity (gross exchange rate) and ? denotes the supersaturation effect. Significant supersaturations can be attributed to the small (≤150‐μm radius) bubbles, which are commonly advected several metres below the sea surface (Woolf and Thorpe, 1991). The values of Kb attributable to this deep flux of bubbles are negligible for most gases, but much greater values are predicted by considering the total flux of bubbles through the sea surface. The contribution of bubbles to the transfer velocity, Kb, is approximately proportional to the whitecap coverage. Transfer velocities are a complex function of the diffusivity and solubility of the dissolved gas. This function depends on the distribution of the bubbles. Transfer velocities of relatively soluble gases (and particularly the contribution of small bubbles) are limited by the volume flux of the bubbles, V, through the inequality Kb ≤ V/β where β is the Bunsen solubility of the gas. Values of Kb can be calculated using measurements of the bubbles in a simulated whitecap (Cipriano and Blanchard, 1981). Large (>150‐μm radius) bubbles are the main contributors to the air‐sea transfer velocity. Transfer velocities are less for more soluble gases. The global average value of Kb for carbon dioxide is probably between 2 and 10 cm h‐1; the best estimate is 8.5 cm h‐1. Résumé L'échange de gaz entre l'atmosphère et les océans peut se faire directement avec la surface de la mer ou indirectement par l'entremise de réservoirs transitoires supplémentaires (bulles injectées dans la partie supérieure de l'océan par les vagues déferlantes). Ces bulles augmentent le taux brut d'échange entre l'air et la mer et tendent à forcer la supersaturation de la partie supérieur de celle‐ci. Ces deux effets deviennent explicites en écrivant l'équation pour le flux air‐mer net d'un gaz: F = (K0+Kb)[C‐Sp(1+?)], où Kb représente l'apport des bulles à la vélocité de transfert (taux d'échange net) et ? l'effet de supersaturation. Les super‐saturations importantes peuvent être attribuées aux petites bulles (rayon de ≤ 150 μm) qui se retrouvent presque toujours à plusieurs mètres sous la surface (Woolf and Thorpe, 1991). Les valeurs de Kb attribuables à ce flux profond de bulles sont négligeables pour la plupart des gaz mais de plus grandes valeurs sont prévues si l'on considère le flux de bulles total dans la surface de la mer. La contribution des bulles à la vélocité de transfert, Kb, est environ proportionnelle à la couverture d'écume. Les vélocités de transfert sont une fonction complexe de la diffusité et solubilité des gaz dissous. Cette fonction dépend de la distribution des bulles. Les vélocités de transfert de gaz relativement solubles (particulièrement la contribution de petites bulles) sont limitées par le flux volumique des bulles, V, par l'inégalité Kb ≤ V/β, où β est la solubilité des gaz de Bunsen. On peut calculer les valeurs de Kb à l'aide des mesures des bulles dans une écume simulée (Cipriano and Blanchard, 1981). Les grosses bulles (rayon de > 150 μm) contribuent principalement à la vélocité de transfert air‐mer. Les vélocités de transfert sont moindres pour les gaz moins solubles. La valeur moyenne globale de Kb pour le CO2 est probablement entre 2 et 10 cm h‐1, la meilleure estimation étant de 8,5 cm h‐1.