Introduction : photo d’un test de foraminifère actuel ( x 50 environ )

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1 Introduction : photo d’un test de foraminifère actuel ( x 50 environ )

2 Plan

3 A. l’outil foraminifères : écologie , intérêt climatologique

4 I Les Foraminifères : De foramen : "petit trou« et ferre : " porter "
Classification : règne= Protistes sous règne=Protozoaires embranchement=Rhizoflagellés classe=Rhizopodes ordre=Foraminifères

5 ils sont strictement marins , appartenant au zooplancton
6000 espèces actuelles benthiques+ planctoniques , 3000 espèces planctoniques fossiles) formes spinoses :. le test porte des épines carnivores et associés à des algues symbiontes au niveau de la couronne d’épines . ex : O.universa formes non spinoses : le test ne porte pas d’épines herbivores et ne portent pas de symbiontes ( puisque pas d’épines )

6 cycle de reproduction bimodal = asexué et sexué
formes macrosphériques → gamontes ( reproduction sexuée rare);( proloculum de grande taille) formes microsphériques → schizontes ( reproduction asexuée )( petit proloculum )

7 test intraectoplasmique minéralisé calcite/aragonite doublé par une basale chitineuse.
Succession de loges . Proloculum = loge initiale. Enroulement spiralé et test perforé.

8 formes enroulées : . planispiralées évolutes ou involutes
Formes trochospiralées ( enroulement hélicoïdal). Dans ce cas la face dorsale est évolute et la face ventrale involute → erreur de classification (Ammonoïdés par Alcyde d’Orbigny)

9 sens d’enroulement ≠ au sein d’un même morphotype
Il s’observe commodément sur la face ventrale où il y a l’ouverture, en partant de la loge la plus petite vers la plus grande dextre (photographie de N.Neogloboquadrina) senestre Ce sens d’enroulement est caractéristique d’environnements différents (au point de vue T°C). (ex : N.pachyderma - senestre dans les eaux polaires, dextre dans les eaux tropicales) Mais, selon les espèces, le sens senestre ou dextre peut indiquer aussi bien le chaud et le froid→ complexité

10 la taille : elle varie entre 50µ et 1mm pour les planctoniques (on observe les plus gros là où les températures de surface sont élevées). taille < 150µ : ce sont des formes juvéniles peu évoluées et ensuite les structures évoluent → on choisit pour les études plutôt les formes adultes dont la taille > 150µ → utilisation de tamis de maille Ø 150µ et étude des refus de tamis.

11 flux colonne d’eau → sédiment
il est estimé par des pièges à sédiments .Kawahata et al,2002, " pacific warm pool" = flux de l’ordre de 100 à 200 tests/m2 /j (cela donne une idée du dépôt)

12 distribution des bioprovinces à Foraminifères planctoniques en Atlantique Nord (d’après Bé et Tolderlund 1971) ◦ carte présentée avec ≠ régions et latitudes (après tamisage refus > 150µm ) : la distribution est calquée sur les bioprovinces climatiques. polaire subpolaire subtropical tropical tempéré zonation méridienne mais déviation vers le Nord par le Gulf Stream dans l’Atlantique Nord bien zoné horizontalement dans l’Atlantique Sud

13 exemple de l’océan Atlantique
Tableau présentant les ≠ espèces de foraminifères en fonction des zones arctique , subarctique et subtropicale.

14 Néopachyderma senestre en .micro photo.

15 Gl.bulloïdes en microphoto

16 g.quinqueloba en microphoto

17 graphique :( Peters et al
graphique :( Peters et al. , 2004) distribution ≠ foraminifères en fonction de ≠ zonations de T°C

18 Néopachyderma senestre en micro photo.

19 Graphique : il y a ans, les variations dans les assemblages de Foraminifères coïncident avec les variations du δ18O. il y a 1,8 millions d’années (les numérotations paires, impaires à droite correspondent à une statigraphie isotopique) les variations du δ18O entre périodes chaudes et froides augmentent d’amplitude à partir des dernières années, ce qui coïncide aussi avec les variations de certains fossiles, et ce qui indique une tendance au réchauffement. Coïncidence aussi avec cycle à et à ans /soleil.

20 II Problèmes posés par les dernières découvertes :
Jusqu’alors existence de morpho-espèces (morphotypes) → > celles utilisées en micropaléontologie or analyses génétiques : une même morphologie peut regrouper plusieurs espèces ≠

21 ex atlantique de Globigerinella siphonifera planispiralée, de grande taille (d’après de Vargas et al, Marine micropaleontology, )

22 mais il existe 5 génotypes différents de G
mais il existe 5 génotypes différents de G.siphonifera (d’un point de vue génétique il y a 5 espèces ≠)

23 on peut voir la répartition de ces 5 génotypes le long d’un transect N-S de l’Atlantique ex : le type 2 est surtout entre Amérique du Sud et Afrique O

24 Graphique : nombre d’individus/latitude de chaque type ( I, II, III, IV). Ce graphique montre une forte quantité de type III quand il y a une forte [chlorophylle] ceci en liaison avec la zone de upwelling mauritanien. ═> outil à retenir mais…

25 La définition d’espèce biologique (sensu Mayr) n’est pas testable en paléontologie et encore moins en micropaléontologie… Que faire ? travailler toujours sur la base d’un faisceau d’outils et de convergences

26 B. Les reconstructions qualitatives
Deux exemples seront considérés :

27 1. La mer d’Alboran (début de la Méditerranée au niveau de Gibraltar jusqu’à Almeria

28 Mer d’Alboran : · l’entrée des eaux atlantiques provoque 2 tourbillons anticycloniques 
altimétrie : existence de tourbillons en mer d’Alboran (été 1997)

29 2 transects :  de Gibraltar vers le sud de la Sicile (O–>E) de Marseille vers les Baléares (N–>S) Ils montrent les dominantes de certaines espèces en % de forams planctoniques dans sédiments de S.

30 Ceci est couplé avec d’autres données : mesures de température, densité, salinité, sur la colonne d’eau.

31 On constate une remontée de la pycnocline (100m contre 250m en moyenne) liée à un brassage important des eaux en hiver : favorable au développement de N.pachyderma dextre (+ nutriments –> phyto –> proies pour N.pachyderma)

32 Comparaison avec le passé : entre –20000 et –8000 ans , dernier max
Comparaison avec le passé : entre –20000 et –8000 ans , dernier max. glaciaire , on a plutôt N.pachyderma dextre puis relais franc par G.inflata entre 8000 et 0 (en % relatifs) comme ce qui est observé dans l’actuel. ═> calcul d’abondances absolues, on aboutit à la même remarque. Conclusion : vers –8000 ans on situe bien ce changement de populations

33 Cartes des populations avant 8000 ans et après 8000 ans = conditions actuelles

34 Valeur seuil dans les échanges Atlantique/Méditerranée atteinte il y a 8000 ans :
changement dans les flux Atlantique/Méditerranée en relation avec la remontée du niveau marin due à fonte calotte ( ↔50 millions de km³ d’eau ce qui est énorme ) . Le flux était de 86% du taux actuel de pénétration du flux atlantique en Méditerranée → il y a 8000 ans on était à –30m par rapport au niveau actuel et les échanges semblables à l’actuel ont été établis il y a –8000 ans entre Atlantique et Méditerranée.

35 2;Golfe de Gascogne : Carte montrant la marge du Golfe de Gascogne

36 Carte situant la marge et la terrasse Meriadzek.
Carotte de 2000 à 3000m de profondeur (MD 95 en 2002), à l‘abri des sédiments turbiditiques → ≠ données :

37 δ18O , teneur en CaCO3 en %, susceptibilité magnétique Si, abondance relative (%) en N.pachyderma senestre (espèce polaire), en grains lithiques grossiers (>150µ) dans le sédiment (grains/g) et donc liés à des icebergs. Données qui s’étalent de –15000 ans à l’actuel. A partir de ans changement climatique : fonte des calottes de glace de l’hémisphère Nord

38 Carte de paléogéographie régionale pendant le dernier max glaciaire : on observe un paléofleuve et un delta énorme dans la Manche, la zone d’étude présente un avantage : dépôts rapides, plusieurs dizaines de cm à plusieurs m/milliers d’années ce qui permet de détecter des variations de très faible amplitude. (les Foraminifères indiquent qu’il faisait très froid avant ans)

39 Il existe un optimum de deux espèces senestres entre et 6000 ans ; puis on constate une diminution de ces 2 espèces : G.truncatulinoïdes left coiling, G.hirsuta left coiling (graphe de droite) remplacées par des formes destres de N.pachyderma (graphe de gauche). Deux dates –7000 et –9000 ans avec entre les deux un changement climatique.

40 C. Reconstruction quantitative : principe des fonctions de transfert

41 Aujourd’hui les fonctions de transfert paléoenvironnementales permettent de quantifier (chiffrer) les reconstitutions paléoenvironnementales. Ces quantifications = conditions aux limites des modèles climatiques sont de véritables tests . Si un modèle climatique peut reproduire la situation actuelle et d’un paléoclimat il est validé. Ces modèles sont-ils capables de reproduire les scenarii paleoclimatiques détectés dans les données ?

42 Besoin d’une base de données actuelles constituées par des prélèvements de sédiments de surface = matrice où figure ≠ paramètres : prélèvements, latitude, longitude, T°C de surface en février (SST), T°C de surface en août (SST), % des ≠ espèces

43 Données hydrographiques : proviennent des atlas mondiaux NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration- US department of commerce) site sur lequel tout le monde peut aller.

44 Carte situant les prélèvements et l’information de couvert de glace (mois/an)

45 Carte situant les prélèvements et SST février : -2°C ═>16°C (température de surface de l’eau)

46 Besoin d’une base de données actuelles constituées par des prélèvements de sédiments de surface = matrice où figure ≠ paramètres : idem qu’à la page 42 avec comptage des % de deux espèces N.pachyderma senestre : PCHS et N.pachyderma dextre :PCHD

47 Deux graphiques présentant les % de ces espèces en fonction de la température en août et de la latitude en °N ↔ 2 zones latitudinales = courants upwelling ?

48 Il existe 2 méthodes pour les fonctions de transfert :
-         Méthode d’Imbrie et Kipp ( 1971 ) : on trie de manière statistique les assemblages spécifiques actuels en facteurs ( analyse en composante principale ) déterminé par les paramètres physiques

49 cette méthode est appliquée maintenant uniquement dans des contextes régionaux ( upwelling , bassins fermés…)

50 cartographie du facteur F1

51 Puis équation de régression ( équation de la droite qui symbolise la répartition du nuage de points ).

52 enfin on applique cette équation trouvée à partir de l’actuel aux foraminifères fossiles et on compare.( ex : comparaison % G.bulloïdes et de la PP reconstruite ).

53 on compare aussi les courbes obtenues ainsi avec d’autres courbes obtenus à partir de l’étude d’autres E.V. (ex : les Coccolithophoridés ) pour en voir la validité. ( = confrontation de ≠ données )

54 Méthode des analogues ( MAT , BAT…Guiot, 1990 ) :
°1ère étape : les abondances relatives de chaque taxon sont exprimées en ‰ °2ème étape : comparaison directe entre les échantillons fossiles : l’enregistrement fossile est testé pour la recherche des analogues actuels modernes dans la base de données actuelles ( repose sur plus de 700 points ) =calcul des distances ou index ( coeff.) de similarité °dernière étape : calcul. On considère x analogues . Les T°C sont calculées en moyennant celles qui caractérisent les analogues actuels les + proches ( + faible coeff. de dissimilarité ) . Cela revient à faire une interpolation. Les données hydrographiques PALEO sont calculées sur la base d’une moyenne pondérée ( inversement à la distance ) des données modernes respectivement associées à chaque analogue moderne obtenu.

55 +voir dossier La Recherche n°17 nov. déc. 2004 janv
+voir dossier La Recherche n°17 nov.déc.2004 janv.2005 article de Labeyrie et Jouzel : évènements dits de Heinrich : anticorrélation entre max .de grains véhiculés par les icebergs et le min des T° de surface océanique à et –45000BP pour événements HTL1 et HTL5. Cela correspond à un débâcle massive d’icebergs et effondrement des calottes. ( la peur actuelle c’est qu’avec le réchauffement climatique , il y ait fonte de 10m -pour les pires hypothèses de +5°C-à 80m pour un réchauffement de +20C ). L’Antarctique peut libérer des quantités considérables d’icebergs dans l’hémisphère Nord jusqu’à la péninsule ibérique ( latitude de Gibraltar ) .Actuellement les processus de fonte sont en place. La glace saisonnière régresse. L’incertitude c’est la pompe C. Comment va réagir le système Terre ? Une forêt à l’équilibre n’est ni puits ni source  , ainsi la forêt amazonienne n’est pas le principal paramètre , le principal c’est le rôle des microorganismes.

56 + voir dossier La Recherche n°17 nov. déc. 2004 janv
+ voir dossier La Recherche n°17 nov.déc.2004 janv.2005 article de Labeyrie et Jouzel : évènements dits de Heinrich : anticorrélation entre max .de grains véhiculés par les icebergs et le min des T° de surface océanique à et –45000BP pour événements HTL1 et HTL5. Cela ↔ débâcle massive d’icebergs et effondrement des calottes. ( la peur actuelle c’est qu’avec le réchauffement climatique , il y ait fonte de 80m -pour les pires hypothèses de +5°C-à 10m pour un réchauffement de +20C ). L’Antarctique peut libérer des quantités considérables d’icebergs dans l’hémisphère Nord jusqu’à la péninsule ibérique ( latitude de Gibraltar ) .Actuellement les processus de fonte sont en place. La glace saisonnière régresse. L’incertitude c’est la pompe C. Comment va réagir le système Terre ? Une forêt à l’équilibre n’est ni puits ni source  , ainsi la forêt amazonienne n’est pas le principal paramètre , le principal c’est le rôle des microorganismes.

57 l’outil roi c’est le δ18O sur foraminifères planctoniques et benthiques surtout
2 courbes ( étude de 1978 et 1980 ) ● sur les dernières années le graphique montre : - la comparaison entre δ18O et cycles astronomiques→ fortes corrélations. Somme= excentricité- précession et obbliquité SETP -    Un retard léger de la réponse océanique/phènomène astronomique. -     L’océan répond de façon + aux facteurs astronomiques ( couplage dynamique océanique et atmosphérique , ce qui n’était pas une idée évidente en 1980 ).

58 Principe du δ18O : il existe 2 isotopes stables de l’oxygène O18 ( lourd ) et O16 ( léger ) partie intégrante du cycle de l’eau et donc de la vie. Le rapport 18O/16O dépend de l’air lors de la condensation de la neige : la tension de vapeur de H216O est 1% plus forte que celle de H218O : il y a donc une distillation fractionnée dans les nuages au fur et à mesure du refroidissement de l’air , lors du transport atmosphérique depuis les zones tropicales.

59 2ème schéma : en périodes interglaciaires , libération des glaces à l’océan: δ18O inchangé
en périodes glaciaires ,16O retiré de la masse océanique: δ18O augmente

60 Le δ18O mesuré par spectrométrie de masse matérialise la teneur en isotopes lourds contenus dans les carbonates fossiles : δ18O‰ = [({ 18O/16O}échantillon/{ 18O/16O} standard PDB )-1] х1000 *quand les mesures concernent les organismes planctoniques, elles donnent accès aux changements de volume des glaces et des T°C ayant affecté les couches superficielles de l’océan, avec des épiphénomènes visibles , par ex. arrivée d’eau douce ,quand événement d’Heinrich ↔fonte des glaces. *quand elles concernent les organismes benthiques , c’est un signal plus global de changements du volume des glaces et donc du niveau marin ( l’enrichissement des océans en O18 lors de la construction des calottes est directement proportionnel au volume de glace stocké )qui est obtenu. Point faible du raisonnement : un “ effet vital” a été évoqué , à savoir la variation du fractionnement isotopique, fonction de l’espèce analysée et de la taille des individus.

61 Illustration de l’importance de l’utilisation d’assemblages monospécifiques.
exemple : δ18O sur une espèce N.Pachyderma : allègement du δ18O ( arrivée d’eau douce→fonte des isotopes vers –45000ans.)

62 exemple : couplage entre
- ce qu’on a trouvé à partir de l’étude des Foraminifères et les océans - ce qu’on a trouvé à partir de l’étude des carottes glaciaires ( évènements qui apparaissent tous les 5000 ou ans limités aux périodes glaciaires + une oscillation de + haute fréquence qui survient en période glaciaire ou interglaciaire )

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65 mesure du δ13C autre outil plus complexe.
Augmentation consommation préférentielle du 12 Cpar le phytoplancton →le δ13C traduit l’intensité de la production primaire .

66 Atlantique Nord

67 Mer de Chine δ13C faible quand δ18O fort : quand δ13C diminue→faible ventilation des eaux profondes→circulation océanique stoppée et cela est corrélé avec les variations d’Heinrich et les variations du δ18O( paramètres orbitaux et forçage mousson en corrélation). +voir dossier La Recherche n° 17 nov.déc.2004janv.225 article de Edouard Bard

68 rapport Mg/Ca nouvel outil qui date de 4 ans ( spectrométrie de masse) : rapport métaux traces dans les carbonates Mesuré chez ≠ Foraminifères ( une courbe par Foraminifère→corrélation) Quand corrélation avec la T°C on a des relations directes.

69 comparaison δ18O avec Mg/Ca , calcite, eau
comparaison δ18O avec Mg/Ca , calcite, eau. Les 3 graphiques sont corrélés D’après Lea et al., 2002

70 néodyme : autre nouvel outil qui s’applique sur les Foraminifères
Neodium isotope record ( £Nd )

71 E . Exemple d’application : le dernier maximum glaciaire ou l’histoire d’un mauvaise interprétation

72 configuration des calottes boréales lors du DMG( dernier maximum glaciaire ): comparaison de cette configuration à – ans calendaires ( ou 16-19,5000 ans 14C ) et maintenant ( configuration actuelle )

73 reconstitution des épaisseurs de glace des calottes glaciaires

74 chronostratigraphie des glaces :
interstade 2 ( glaciaire ) interstade 1 ( interglaciaire actuel ) de l’Holocène le stade 5 ↔ Eémien

75 climap ( 1981 ) cartographie de la T°C à cette période là ( reconstitution de T°C des eaux océaniques de surface et des calottes glaciaires ).

76 carte brute pour T°C de février 1981

77 carte brute pour T°C d’août 1981

78 MARGO ( 2002- 2004 ) : Multiproxy Approach for the Reconstruction of the Glacial Ocean surface

79 MARGO = ce que donnent les Foraminifères

80 au DMG , l’océan en Europe du Nord était « chaud » en surface→pourquoi ?*
- ce DMG est compris entre les 2 derniers évènements d’Heinrich H1 et H2→réinterprétation des données* *reconstitution des calottes →elles étaient +basses ( +au Sud ) →influence des ceintures froides → excès de chaleur des zones chaudes comprimées→ remontée de ce chaud vers les zones tempérées.

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82 F. Calcification des tests carbonatés : piège ou source de CO2 ?
on n’a pas encore la réponse

83 la formation de calcite biogénique est un processus complexe.
•Il existe 3 modes de calcification chez les Foraminifères : 1.      lié à l’ontogénèse : addition d’une loge se fait de nuit en ≈ 2h 2.      chez les formes matures : calcification en continu mais variant avec le cycle diurne( +intense le jour) 3.      calcification lors de la gamétogenèse : +3 à 31% du poids initial avant la libération des gamètes. + rôle des symbiontes : leur photosynthèse crée un environnement chimique particulier + respiration ( de l’organisme et des symbiontes ) modifie les équilibres

84 schéma d’un Foraminifère

85 Pour la calcification , il existe 2 équations fondamentales :
Précipitation de calcite : Ca2+ + CO3 2- → CaCO3; 1 mole de C contre 1 mole C Précipitation biogénique : Ca2+ +2 HCO3- → CaCO3 +CO2+H2O ; 2 moles de C contre 2 moles de C mais largue CO2 + équilibres/déséquilibres fonction des “effets vitaux ”

86 le CO2 de l’océan, grand intérêt actuel du fait du problème des émissions anthropiques.
Bilan : l’Homme rejette 6 Gt de CO2 dans l’atmosphère/an. La moitié est captée par l’hydrosphère et la biosphère.

87 graphiques sur l’augmentation du CO2 par l’action de l’H
•en 2004 [ CO2 ] atmosphérique = 380 ppm ( 280 ppm en 1860 )

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90 or [ CO2 ] varie avec les variations de T°C atmosphérique
or [ CO2 ] varie avec les variations de T°C atmosphérique. Mais c’est l’ «  histoire de la poule et de l’œuf » ! variation [ CO2 ] et [ CH4 ] existent depuis toujours mais cette variation est exponentielle → danger.

91 le CO2 de l’océan ,la pompe de la biosphère terrestre = la pompe océanique . Mais l’océan est le + grand réservoir de C : si l’atmosphère = 1 , biosphère continentale et marine = 5 , masse d’eau = 60 , sédiments marins = 30000 NB : séd.calcaires = 20 millions de Pg de C accumulés au fil des millénaires

92 le CO2 et l’océan , pompe inorganique :
Le CO2 atmosphérique est très facilement dissous dans l’océan : il est alors quantifiable sous forme de pression partielle=Pco2. Le CO2 réagit avec l’eau , formant l’acide carbonique ( H2CO 3 ) rapidement dissocié d’où une série d’équilibres… CO2 +2H2O↔ H2CO3 ↔ H++HCO3- ions bicarbonates HCO3 -↔H++ CO3 2- ions carbonates

93 C minéral de l’océan = 90% de bicarbonates ( HCO3- )
5-10% de carbonates ( CO3--) 1% de gaz dissous pour une teneur voisine d e 2 mol/ m³( 125 fois plus que dans l’atmosphère ) •l’efficacité de cette pompe océanique dépend de 3 facteurs :T°C des eaux , taux de brassage de la tranche d’eau supérieure (vents) , P CO2 existante à la base.

94 La carte de l’hémisphère Nord montre les puits principaux qui sont au niveau des zones de formations d’eaux profondes ( la circulation thermohaline joue ainsi un rôle majeur) . 2 pompes : hémisphère Nord surtout et hémisphère Sud entre 40°S et 40°N/équateur plutôt des puits

95 Lorsque des eaux profondes à forte PCO2 arrivent en surface , elles dégazent vers l’atmosphère.
Ce phénomène se produit dans 2 régions surtout : - aux basses latitudes , avec la divergence équatoriale ( surtout dans le Pacifique ) . - aux hautes latitudes de l’océan austral : le long de la divergence antarctique.

96 carte des puits et sources ( d’après Takashi et al. , 2002 )
En bleu les puits aux pôles En rouge les sources , niveau équateur Zones d’upwelling : Pérou et Somalie , sont des zones importantes pour relargage du CO2 vers l’atmosphère.

97 le CO2 et l’océan , pompe organique
Plus complexe , on n’a pas encore compris C utilisable par les organismes sous forme ionique ( ions carbonates , bicarbonates ) 2 processus biologiques utilisent le CID ( C inorganique dissous ) la photosynthèse→ C organique particulaire ou dissous

98 docs sur production primaire et teneur en CO2 de l’atmosphère

99 1.      la calcification → C piégé dans les sédiments
Ca2++CO32-→ CaCO3 Ca2+ + 2HCO3-→ CaCO3 + CO2+ H2O

100 mais la calcification acidifie le milieu et redistribue les espèces chimiques avec augmentation de la proportion de CO aug. PCO2 = dim.PH = dissolution… NB : P CO2 X 2 = réduit la capacité de calcification des grands groupes planctoniques calcaires Mais aussi les carbonates = sortie définitive du cycle si pas de dissolution du test des organismes calcaires —→ambiguité ! ! touche autant les carbonates que la matière organique. Aujourd’hui les quantifications tâtonnent. + voir aussi extrait de l’article de L.Bopp , L.Legendre , P.Monfray dans dossier La Recherche n°17

101 schéma d’après Milliman et Droxter .1996

102 Ce qu’il faut retenir Tout dépend de l’échelle considérée :
à l’échelle de la réaction , la biocalcification est une source de CO2 à l’échelle des processus océaniques , la biocalcification est un puits de CO2 et de la période considérée : océan à l’équilibre ou en déséquilibre vis à vis des carbonates

103 cycle CID ( carbone inorganique dissous )
Bilan : puits terrestres= 1,7± 1,4 Pc/an puits océaniques= - 1,9± 0,9 Pg/an }≈ équivalents mais 3ème puits thermodynamique important

104 Mais l’océan est quand même le principal régulateur du CO2 océanique aug.CO2 atm.= aug. de l’échange diffusif air_ mer