Lediane Marcon

• Inland waters, such as freshwater impoundments, are significant and variable sources of the greenhouse gas methane to the atmosphere. In water bodies, methane is mainly produced in the organic-matter rich bottom sediment, where it can accumulate, form gas voids, and be transported to the atmosphere by gas bubbles escaping the sediment. The bubble mediated transport of methane, known as methane ebullition, is a commonly dominant pathway of methane emissions in freshwater reservoirs. Ebullition results from a complex interplay of several simultaneous physical and bio-geochemical processes acting at different timescales, leading to highly variable fluxes in both space and time. Although the sediment matrix is a hot spot for gas production and accumulation, there is a lack of in-situ data on free gas storage in reservoirs and the interaction among sediment gas storage, methane budget, and methane ebullition. Several environmental variables are known to be ebullition drivers; however, simulating the temporal dynamics of ebullition and identifying the governing factors across different systems remains challenging. Therefore, the main goal of this thesis was to investigate the effect of different drivers on the spatial variability and temporal dynamics of methane ebullition in impoundments. Two contrasting reservoirs, one subtropical and one temperate, were investigated. High-frequency measurements of ebullition fluxes and environmental variables, and acoustic-based mapping of gas content in the sediment were performed in both reservoirs, constituting the dataset for this study. The main findings were presented in three main scientific manuscripts. The spatial distribution of gas content in the sediment was primarily controlled by sediment deposition and water depth, with shallow regions of high sediment deposition were hot spots of free gas accumulation in the sediment. Temporal changes in gas content in the sediment were linked to the methane budget components in the reservoir and further influenced by the temporal dynamics of ebullition. While the sediment could store days of accumulated potential methane production, which could sustain months of mean ebullition flux, periods of intensified ebullition led to a depletion of gas stored in the sediment. Large spatial scale ebullition drivers, such as pressure changes, resulted in the synchronization of ebullition events across different monitoring sites. Nevertheless, the degree of correlation between ebullition and environmental variables varied from one system to another and over time. Thermal stratification was an important modulator in the relationship between ebullition and other environmental variables, such as bottom currents and turbulence. The temporal dynamics of ebullition could be captured and reproduced by empirical models based on known environmental variables. However, these models failed to reproduce the sub-daily variabilities of ebullition and demonstrated poor performance when transferred from one system to another. Lastly, although some questions remain unanswered, the findings from this study contribute to advancing the understanding of the complex dynamics of methane ebullition and its controls in freshwater reservoirs.
• Binnengewässer, wie z. B. Talsperren, sind wichtige sich stetig verändernde Quellen des Treibhausgases Methan. In Gewässern wird Methan hauptsächlich in Bodensedimenten, welche reich an organischen Substanzen sind, produziert. Dort sammelt sich Methan an, bildet gasgefüllte Hohlräume und wird durch aus dem Sediment entweichende Gasblasen in die Atmosphäre transportiert. Der Transport von Methan in aufsteigenden Gasblasen, auch als Methan-Ebullition bezeichnet, ist ein häufig vorherrschender Mechanismus in Süßwasserreservoirs. Die Ebullition resultiert aus einem komplexen Zusammenspiel mehrerer physikalischer und biogeochemischer Prozesse, die auf unterschiedlichen Zeitskalen ablaufen. Das führt zu räumlich und zeitlich sehr variabeln Gasflüssen. Obwohl die Sedimentmatrix ein Hotspot der Gasproduktion und -akkumulation ist, mangelt es für Talsperren an Insitu-Daten über die freie Gasspeicherung in Sedimenten und die Wechselwirkung zwischen Gasspeicherung, Methanbudget und Methan-Ebullition. Man weiß, dass mehrere Umweltvariablen die Ebullition beeinflussen. Es ist jedoch nach wie vor schwierig, die zeitliche Dynamik der Ebullition zu simulieren und die bestimmenden Faktoren in verschiedenen Systemen zu ermitteln. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand somit darin, die Auswirkungen verschiedener Einflussfaktoren auf die räumliche Variabilität und die zeitliche Dynamik der Methanemissionen aus Stauseen zu untersuchen. Es wurden zwei verschiedene Stauseen, einer in der subtropischen und einer in der gemäßigten Klimazone, untersucht. In beiden Stauseen wurden Hochfrequenz-Messungen der Methanflüsse und der Umweltvariablen, sowie eine akustische Kartierung des Gasgehalts im Sediment durchgeführt, welche gemeinsam den Datensatz für diese Studie bilden. Die wichtigsten Ergebnisse wurden in drei wissenschaftlichen Manuskripten veröffentlicht. Die räumliche Verteilung des Gasgehalts im Sediment wurde hauptsächlich durch die Sedimentablagerung und die Wassertiefe beeinflusst, wobei flache Regionen mit großen Mengen an Sediment Hotspots der Ansammlung von freiem Gas im Sediment waren. Es wurde aufgezeigt, dass zeitliche Veränderungen des Gasgehalts im Sediment mit den verschiedenen Komponenten des Methan-Budgets der Talsperre zusammenhängen und durch die Dynamik der Ebullition beeinflusst werden. Obwohl das Sediment die potenzielle Methanproduktion von mehreren Tagen speichern könnte, was wiederum die Aufrechterhaltung eines durchschnittlichen Ebullitionsflusses über Monate ermöglicht, führen Perioden verstärkter Ebullition zu einer Erschöpfung des im Sediment gespeicherten Gases. Einflussfaktoren mit großer räumlicher Ausdehnung, wie z. B. Druckveränderungen, führten zu einer Synchronisierung von Ebullitionsereignissen an verschiedenen Messstellen. Das Ausmaß, in dem die Ebullition mit Umweltvariablen korreliert, variierte jedoch von einem System zum anderen und zeitlich. Die thermische Schichtung erwies sich als wichtiger Parameter in der Beziehung zwischen Ebullition und anderen Umweltvariablen, wie z. B. Bodenströmungen und Turbulenzen. Die zeitliche Dynamik der Ebbullition konnte durch empirische Modelle in Abhängigkeit von bekannten Umweltvariablen erfasst und reproduziert werden. Jedoch konnten die Modelle auf Schwankungen für Zeiträume, welche kürzer als ein Tag waren, nicht angewandt werden und lieferten bei der Übertragung zwischen unterschiedlichen Systemen schlechte Resultate. Obwohl einige Fragen unbeantwortet blieben, tragen die Ergebnisse dieser Studie zum Verständnis der komplexen Dynamik der Methan-Ebullition und ihrer Einflussfaktoren in Talsperren bei.