Modeling of the nitrogen cycling in the sediments of the Baltic Sea is the major objective of thepresent study. A model of the nitrogen cycling in the sediment of the Western Gotland Basinwas developed. The model simulates the sedimentary biogeochemical processes such asdecomposition of the organic detritus and transformation of nitrogen species in the sediment.The development of the model is based on the methods and approaches implemented in themodel of the freshwater Haringvliet Lake, Netherland. The sediments of Haringvliet and the Baltic Sea were examined in terms of the interactions andcontrols of biogeochemistry. Both systems are eutrophied. This results in a high sedimentationrate of organic matter and creates the same chemical and physical conditions to theirsediments. However, the sedimentation rate and decomposition of organic detritus is higherand nitrification and denitrification is lower in Haringvliet lake system compared to the BalticSea. The results of the model tests show that profiles of the chemical compounds and rates of theprocesses are in good agreement with the observations made in different areas of the BalticSea. The model can be used for simulation of the sediment processes when there is a constantinput of organic matter. The model can also reproduce the behavior of the sediment whensome of the process parameters and conditions are changed. A comparison of the rates of the biogeochemical processes predicted by model and thosemeasured in the different basins of the Baltic Sea was performed. The rates of decompositionof organic detritus, denitrification and nitrification were in agreement with the field data. Basedon the results of the model the nitrogen removal in the sediment was calculated and it wasfound that 26-32% of total nitrogen entering the sediment is removed by denitrification. / <p>www.ima.kth.se</p>

Abstract The eutrophication of the Baltic Sea continues despite decrease of the external phosphorus load by as much as 80% of the target confirmed by HELCOM. The aim of this thesis is to investigate this paradox, critically evaluate previous explanations for the persistent eutrophication, and to introduce a new diagnosis and paradigm for the causes and processes behind eutrophication of the Baltic Sea. According to the current consensus, anthropogenic nutrient loading is nearly the sole cause of eutrophication and regular cyanobacterial blooms. However, this study shows that the areal phosphorus loading rate, when modeled properly, is surprisingly low, and unlikely to be the primary cause of eutrophication. Instead, the frequency of the salt water pulses has decreased dramatically during the past 40 years. This is the root cause of eutrophication, via the hyper-vicious cycle of the hypoxic and finally anoxic conditions of the deeps causing internal phosphorus loading, denitrification, and nitrogen and carbon fixation. Furthermore, this work confirms that nitrogen fixation increases in low nitrogen conditions, further increasing eutrophication and cyanobacterial blooms. Thus, the most effective way to break the cycle of eutrophication is to improve the oxygen conditions of the deeps, which really is impossible to achieve by decreasing external loading alone. A key result of this work is that natural processes, rather than human activity, plays a decisive role in the eutrophication process – a perspective that typically faces substantial resistance. This thesis discusses how sociological and political views have affected the scientific community and its pursuit to model the mechanisms of eutrophication of the Baltic Sea. In conclusion, this study leads to important novel insights by providing new models for calculating the external and internal phosphorus loads of the Baltic Sea, with results highlighting the importance of natural processes of internal loading from the anoxic deeps. Altogether, this thesis introduces a new a paradigm for eutrophication of the Baltic Sea. / Tiivistelmä Itämeri rehevöityy edelleen, vaikka fosforikuormitusta on vähennetty 80 % tavoitellusta. On siis syytä tutkia miksi Itämeren tila ei ole parantunut. Syntyneen ristiriidan ratkaisemiseksi tarkoituksena on etsiä aiemmista tulkinnoista ristiriitoja, korjata ne ja uudistaa tietopohja uudeksi ja toimivammaksi paradigmaksi. Virhetulkintojen tunnistamiseen sovelletaan Popperin falsifikaatiomenettelyn periaatteita. Konsensuksen mukaan ihmisperäinen kuormitus on lähes yksinomainen syy (sinilevä)rehevyyteen. Kuitenkin Vollenweiderin mallin mukaan tehty, hydrologialla painotettu fosforin pintakuormitus on ollut 1970 - 1980-luvuilla vain lievää rehevyyttä edellyttävällä tasolla. Ulkoinen kuormitus ei siten voi olla suurin rehevyyden aiheuttaja. Sinilevärehevyyttä ylläpitävänä päätekijänä on syvävesiin happea tuovien suolavesipulssien toistuvuuden romahtaminen. Siitä syntyneet syvävesien ja -pohjien hapettomuudet aiheuttavat Gotlanninmeressä sekä sisäistä kuormitusta että lisärehevöittävää typen- ja hiilensidontaa. Yhdessä näitä prosesseja nimitetään nyt supernoidankehäksi. Johtopäätöksiä: • Ihmistieteelliset ja ympäristöpoliittiset näkemykset vaikuttavat luonnontieteellisiin tulkintoihin luultua enemmän. • Suolavesipulssien harventuminen on hapettomuus- ja rehevyyskierteen perussyy. • Syvänteiden hapettomuus on kaikkialle negatiivisesti säteilevä keskeistekijä. • Itämeren supernoidankehä on purettava saattamalla syvänteet hapellisiksi. • Hapellisuutta ei voida saada aikaan ulkoisen kuormituksen vähentämisellä. • Jäljelle jäävät siten teknologiset keinot, joista toteutuskelvollisimmalta näyttää Itämeren hapellisimman ja kylmimmän veden pumppaus 30 metrin syvyydestä syvänteisiin, mikä tehostaa myös pulssivesien virtausta syvänteiden pohjalle. Tämä väitöskirja sisältää viisi vallitsevasta paradigmasta poikkeavaa tulosta: 1. Itämerelle on kehitetty rehevyyden uusi diagnoosi ja paradigma, 2. Luonto dominoi Itämeren tilaa, ei ihminen, 3. Typensidonnalla on lisärehevöittävä mekanismi, 4. Itämerelle on kehitetty uusi fosforin sisäkuormituksen laskentamenetelmä, 5. Virtuaalisen fosforikuormituksen laskenta. Ilman Gotlanninmeren syvänteiden hapellisuutta Itämeri on tuomittu pysymään rehevyyden supernoidankehässä, ’kaksinkertaisessa takalukossa’.