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Planning v. spontaneity (and the nitrogen gas excess in the ETSP)

by Rachel Horak

I have never spent so much time preparing for a single event as I have done for this cruise. I spent the better part of December through June helping to organize the entire cruise effort. This included applying for necessary permits to sample in Chile through the US State Department, communicating with the ship’s crew to ensure that our research needs were met, organizing and communicating with all 31 scientists (on 3 different continents), and getting 8000 pounds of science gear from Seattle into a foreign country (Chile). It was all more difficult than I thought, but it worked out okay. These types of tasks suit me well because I prefer to have things planned out and done early so that I don’t have to stress out over things at the last minute.

Rachel collecting seawater for N/Ar gas ratios. The collection bottle is at the bottom of the picture (it has a red top)

Rachel collecting seawater for N/Ar gas ratios. The collection bottle is at the bottom of the picture (it has a red top)

If only I could do my research without stress at the last minute, things would be great. This is rarely the case. My project, conducted with Al Devol at University of Washington, involves studying the total nitrogen gas excess in this part of the ocean, the ETSP. For this project, I collect samples of water from many depths and analyze the concentration of nitrogen and argon gas in the sample. Nitrogen gas is the end product of denitrification, a type of oxygen-free microbial physiology that uses inorganic nitrogen (ammonia, nitrite, or nitrate) for respiration. Just as we humans and other animals (like penguins, which I saw today) breathe out carbon dioxide gas, the microbes we study “breathe” out pure nitrogen gas. I can actually measure the build-up of this waste product by comparing it to the concentration of argon, an inert gas. Argon isn’t used as an element in nature because it does not participate in chemical reactions, although it is sometimes used in incandescent and fluorescent lighting. Because argon concentrations are the same throughout the ocean, I can measure the ratio of nitrogen:argon, find the predicted argon ratio, and voila – calculate the nitrogen gas in a water sample.

This measurement is useful to the entire project because it measures the total amount of denitrification in the water without relying on experiments to measure rates of microbial physiology, although it is nice to compare data with those experiments. We have taken samples at 9 different stations throughout our journey, and have one more station to sample. At each station, we sample 10-15 depths. The depths vary from station to station and depend on the oxygen concentration and nutrient content of the water. Picking the depths quickly after I see the oxygen profile has proved to be tough exercise in spontaneity for me.

Preparing these bottles for the journey to sea was no quick and easy task. The nature of the task required me to wait until the last minute to prepare the bottles; this was difficult for someone who likes to get things done early! The o-rings, which are essential to maintaining a tight seal and keeping the seawater from exchanging gas with the air, are not perfect and have a natural leak rate. To prepare them, I spent at least 25 hours cleaning, inspecting, and greasing all the o-rings. Then, I thoroughly washed the bottles and dried them with a small amount of microbial poison (mercuric chloride). Finally, I vacuumed all the air out of them, so that every last bit of air we breathe (with is 79% nitrogen and 0.93% argon) does not contaminate the dissolved gas concentration of the collected seawater (which has a higher nitrogen concentration). I brought 206 of these bottles on the plane with me, and I was a very happy person to see that American Airlines delivered them all to me.

We collect the seawater directly out of the Niskin bottle from the CTD rosette (see picture), and we take great care to not allow the seawater to come into contact with the atmosphere. I will analyze the nitrogen:argon gas ratios in the lab with a mass spectrometer when I return from my next cruise. The method that I use only allows me to analyze approximately 5 samples per day, so I already know what work waits for me the first 41 days back ashore! My lab did similar measurements in this part of the ocean a few years ago, and we hope to build upon those measurements at more stations to learn about how much nitrogen is being lost from the ocean as nitrogen gas.

Nunca he pasado tanto tiempo preparándose para un solo evento, como he hecho para este crucero. Pasé la mayor parte de diciembre y junio de ayudar a organizar todo el esfuerzo de crucero. Esto incluyó la solicitud de los permisos necesarios para la muestra en Chile a través del Departamento de Estado de EE.UU., la comunicación con la tripulación del buque para asegurarse de que se cumplen nuestras necesidades de investigación, la organización y la comunicación con los 31 científicos (en 3 continentes diferentes), y conseguir 8.000 libras de la ciencia equipo de Seattle en un país extranjero (Chile). Todo era más difícil de lo que pensaba, pero todo salió bien. Estos tipos de tareas me quedan bien porque prefiero tener las cosas planeadas y hecho antes para que yo no tengo que destacar a lo largo de las cosas en el último minuto.

Si yo pudiera hacer mi investigación sin la tensión en el último minuto, las cosas serían grandes. Esto es raramente el caso. Mi proyecto, llevado a cabo con Al Devol en la Universidad de Washington, consiste en estudiar el exceso total de gas nitrógeno en esta parte del océano, la ETSP. Para este proyecto, recoger muestras de agua de varias profundidades y analizar la concentración de nitrógeno y argón en la muestra. El gas nitrógeno es el producto final de la desnitrificación, un tipo de fisiología microbiana libre de oxígeno que utiliza nitrógeno inorgánico (amoníaco, nitrito, nitrato o) para la respiración. Así como los seres humanos y otros animales (como los pingüinos, que vi hoy) exhalan dióxido de carbono, los microbios que estudiamos “respirar” a gas nitrógeno puro. En realidad puedo medir la acumulación de este producto de desecho por comparación con la concentración de argón, un gas inerte. El argón no se utiliza como un elemento en la naturaleza, ya que no participa en las reacciones químicas, a pesar de que a veces se usa en la iluminación incandescente y fluorescente. Dado que las concentraciones de argón son los mismos en todo el océano, que puede medir la proporción de nitrógeno: argón, encontrar la relación de argón se predijo, y voila – calcular el gas nitrógeno en una muestra de agua.

Esta medida es útil para todo el proyecto, ya que mide la cantidad total de desnitrificación en el agua sin depender de los experimentos para medir las tasas de fisiología microbiana, aunque es bueno comparar los datos con los experimentos. Hemos tomado muestras en 9 estaciones diferentes a lo largo de nuestro viaje, y tienen una más estación de muestreo. En cada estación, nos muestra 10-15 profundidades. Las profundidades varían de estación a estación y dependen de la concentración de oxígeno y el contenido de nutrientes del agua. Recogiendo las profundidades rápidamente después de ver el perfil de oxígeno ha demostrado ser un ejercicio difícil en la espontaneidad para mí.

Preparación de las botellas para el viaje al mar no fue una tarea fácil y rápida. La naturaleza de la tarea requiere que espere hasta el último minuto para preparar las botellas, lo que fue difícil para alguien que le gusta hacer las cosas pronto! Las juntas tóricas, que son esenciales para mantener un sello hermético y mantener el agua de mar del intercambio de gases con el aire, no son perfectos y tienen una tasa de fugas natural. Para prepararlos, pasé al menos 25 horas de limpieza, inspección y engrase todas las juntas tóricas. Entonces, se lavó a fondo de las botellas y los secó con una pequeña cantidad de veneno microbiana (cloruro de mercurio). Por último, la aspiradora todo el aire de ellos, por lo que hasta la última gota de aire que respiramos (con un 79% de nitrógeno y 0,93% de argón) no contamina la concentración de gas disuelto en el agua de mar recogidos (que tiene una concentración de nitrógeno superior) . Traje 206 de estas botellas en el avión conmigo, y yo era una persona muy feliz de ver que American Airlines entregó a todos ellos a mí.

Nosotros recogemos el agua de mar directamente de la botella Niskin del CTD roseta (ver foto), y tenemos mucho cuidado de no permitir que el agua de mar que entra en contacto con la atmósfera. Voy a analizar el nitrógeno: relaciones de gas argón en el laboratorio con un espectrómetro de masas cuando regrese de mi próximo crucero. El método que yo uso sólo me permite analizar aproximadamente 5 muestras por día, así que ya sabe lo que el trabajo me espera los primeros 41 días atrás en tierra! Mi laboratorio hizo mediciones similares en esta parte del océano hace unos años, y esperamos construir sobre esas medidas a más estaciones para aprender acerca de la cantidad de nitrógeno que se está perdiendo en el mar como gas nitrógeno.

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The Learning Curve

by Rachel

One of the things that I love about science is that I do different things pretty much everyday. Sometimes a new technique is easy, but other times the learning curve proves more challenging than I expect. For instance, on Saturday, I was not expecting to have to hang out in a new city (Valparaiso) on a new continent (this is my first trip to South America) for several hours, so I had to learn how to work and communicate in another culture in a hurry. On Sunday, I learned how to use a power saw to help build a platform for my mass spectrometer. Yesterday, I learned how to use traditional navigational charts to help plot our cruise track. For all of these things, I was fortunate to have the assistance of other science party team members who guided me along the way and they made the learning curve less steep. One of the special things about life on a research cruise is how every person is willing to help out at any time, and we are all constantly learning new things from each other.

Rachel using the radial arm saw.

Rachel using the radial arm saw (staged picture – I wore goggles and had my hands clear of the saw when I really did this).

Una de las cosas que me gusta de la ciencia es que hago cosas diferentes más o menos todos los días. A veces, una nueva técnica es fácil, pero otras veces la curva de aprendizaje resulta más difícil de lo que esperaba. Por ejemplo, el sábado, no me esperaba tener que pasar el rato en una nueva ciudad (Valparaíso) en un nuevo continente (este es mi primer viaje a América del Sur) durante varias horas, así que tuve que aprender a trabajar y comunicarse en otra cultura a toda prisa. El domingo, me enteré de cómo usar una sierra eléctrica para ayudar a construir una plataforma para mi espectrómetro de masas. Ayer, me enteré de cómo utilizar las cartas de navegación tradicionales para ayudar a trazar nuestro camino crucero. Por todas estas cosas, tuve la suerte de contar con la ayuda de otros miembros del equipo del partido de ciencia que me guió por el camino y tomaron la curva de aprendizaje menos empinada. Una de las cosas especiales de la vida en un crucero de investigación es cómo cada persona está dispuesta a echar una mano en cualquier momento, y todos estamos constantemente aprendiendo cosas nuevas el uno del otro.

For most of us, daily life aboard the ship is quite different from life on land. We have no choice but to turn off our cell phones (no reception), limit internet surfing, and work closely with a group of 27 scientists for 24/7. This is a complete 180o from my normal life, where I send several texts per day to my fiancé, I constantly am on email, and I usually spend my days alone in my office writing on a computer. My favorite break-time activity is looking for marine mammals and penguins; where else do you get to spend your coffee or snack break looking for seals? Despite some drawbacks of living at sea (away from family), research cruises allow me to do something new and fun everyday in exotic locations. I might need to be reminded of this when we are 20 days into the cruise and my mass spectrometer isn’t working…

Rachel, Clara and Nick in the woodshop

Rachel, Clara and Nick in the woodshop

Para la mayoría de nosotros, la vida cotidiana a bordo de la nave es muy diferente de la vida en la tierra. No tenemos más remedio que apagar nuestros teléfonos celulares (no hay recepción), surf límite de internet, y trabajamos en estrecha colaboración con un grupo de 27 científicos de 24/7. Se trata de un 180o completa de mi vida normal, donde puedo enviar varios textos por día a mi novio, yo estoy constantemente en el correo electrónico, y por lo general pasan mis días solo en mi oficina por escrito en un ordenador. Mi actividad favorita break-tiempo está en busca de los mamíferos marinos y pingüinos, donde más se puede llegar a pasar su café o descanso y merienda en busca de focas? A pesar de algunos inconvenientes de vivir en el mar (fuera de la familia), campañas de investigación permiten que haga algo nuevo y divertido todos los días en lugares exóticos. Puede ser que necesite que le recuerden esto cuando estamos a 20 días en el crucero y mi espectrómetro de masas no está funcionando …

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Welcome aboard! Bienvenido!

IMG_1248Our team of international scientists is traveling to Valparaiso Chile to begin our research expedition.  Led by Chief Scientist Allan Devol, the ETSP2013 cruise will be exploring Carbon and Nitrogen dynamics in the oxygen minimum zone off the coasts of Chile and Peru.  Stay tuned for adventures from the high seas.

Nuestro equipo internacional de científicos está viajando a Valparaíso Chile para comenzar nuestra expedición de investigación. Liderados por el jefe científico Allan Devol, la ETSP2013 crucero a explorar la dinámica del carbono y nitrógeno en la zona de mínimo oxígeno frente a las costas de Chile y Perú. Manténgase atento a las aventuras de alta mar.

This picture, from our cruise last year to the Eastern Tropical North Pacific, shows team members Bonnie and Rachel as they monitor Rick’s in situ incubation systems.  This year, in addition to our sediment trap and incubation work, we will be adding other new science to the mix, and we will be sailing with an expanded team of scientists from all over the globe.

Esta imagen de la izquierda, desde nuestro crucero el año pasado para el norte tropical del Pacífico oriental, muestra a los miembros del equipo Bonnie y Rachel cuando monitorean Rick en los sistemas de incubación in situ. Este año, además de nuestra trampa de sedimentos y el trabajo de incubación, vamos a añadir otra nueva ciencia a la mezcla, y estaremos navegando con un equipo ampliado de científicos de todo el mundo.

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Almost Packed and ready to ship

Chloe loading the first third of the container.

Chloe loading the first third of the container.

After months of planning, our gear is ready to ship to Chile for our upcoming cruise.  One 40-foot container filled with scientific gear.  It took us one week to pack; fitting all the odd-sized gear in was quite a puzzle.

Después de meses de planificación, nuestro equipo está listo para enviar a Chile para nuestro próximo crucero. Un contenedor de 40 pies lleno de engranajes científica. Nos tomó una semana para empacar, cabiendo todo el equipo de tamaño irregular en era bastante un rompecabezas.

–Rachel and Chloe

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