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Contribution à létude du système des carbonates en Méditerranée Miléna Bégovic.

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1 Contribution à létude du système des carbonates en Méditerranée Miléna Bégovic

2 Perturbation anthropique du cycle global du carbone Prédire la teneur future en CO 2 atmosphérique et son impact sur le climat CO 2 : gaz à effet de serre balance énergétique du système climatique Du fait de lactivité humaine, [CO 2 ] atmosphérique a augmenté de 30% depuis les années 1800 sans équivalent de par lamplitude et la vitesse des évolutions modification globale du climat de la planète

3 Cycle global du Carbone (années 1990) flux en GtC an -1 1/2 des émissions anthropiques stockée dans latmosphère lautre 1/2 absorbée par locéan et la biosphère terrestre puits continental très incertain océan : puits majeur de CO 2 atmosphérique anthropique (30%)

4 Absorption océanique du CO 2 Pompe de solubilité régie par léquilibre thermodynamique du CO 2 : CO 2 plus soluble dans les eaux froides des hautes latitudes qui sont des zones de formation d eaux denses transfert du CO 2 en profondeur Pompe biologique : consommation de CO 2 et de sels nutritifs pour la réaction de photosynthèse dans les eaux de surface ( conversion du CO 2 en matière organique par le phytoplancton) processus de transfert du carbone particulaire de la surface vers les eaux profondes où MO est reminéralisée maintien d un gradient vertical de TCO 2 (somme des espèces du CO 2 dans l eau de mer, TCO 2 = [CO 2 ]+[HCO 3 - ]+[CO 3 2- ])

5 Flux air-mer de CO 2 Flux de CO 2 (mol CO 2 m -2 an -1 ) Takahashi T. et al., (1999) CO 2 anthropique : flux global net de CO 2 non nul régions puits et source de CO 2 non équilibrées flux global non résolu car forte variabilité saisonnière de la pression partielle de CO 2 (pCO 2 ) dans les eaux de surface de l océan mesures en continu de pCO 2eau et connaissance des processus conduisant à cette répartition

6 Comprendre la variabilité saisonnière et interannuelle des espèces du CO 2 étude de séries temporelles des espèces du CO 2 en un point fixe Etude basée sur des mesures mensuelles de pCO 2eau, de la répartition de TCO 2 dans la colonne d eau, sur deux années (février 1998-février 2000), au site Dyfamed (programme JGOFS-Fr) (Méditerranée nord-occidentale)

7 Plan Résultats : caractéristiques hydrologiques et biogéochimiques variabilité temporelle de pCO 2 au site Dyfamed Prédiction des valeurs de pCO 2 Échanges de CO 2 au site Dyfamed zone puits ou source de CO 2 Évaluation de la pompe biologique de CO 2

8 Caractéristiques hydrologiques et biogéochimiques

9 Bassin Liguro-Provençal : caractéristiques hydrologiques Circulation permanente de type cyclonique Zone centrale Zone frontale Présence d un front hydrologique eaux légères de faible salinité en périphérie et eaux denses au centre plongée hivernale d eau dense dans la zone centrale station Dyfamed protégée des apports latéraux par la présence de ce front site 1D en première approximation

10 Hiver : mélange vertical refroidissement hivernal de l eau superficielle (T° voisine de 13°C) engendre un mélange vertical avec les eaux sous-jacentes remontée d eau profonde riche en sels nutritifs mélange vertical plus intense l hiver que (colonne d eau homotherme <13°C jusqu à 300 m les hivers 1999 et 2000) Été : oligotrophie épuisement en sels nutritifs de la couche de surface et stratification de la colonne d eau jusqu à m limite l apport des sels nutritifs à la surface ([NO 3 - ]<0.05 µM) maximum profond de chlorophylle a (au voisinage de la nitracline) Intensité du mélange hivernal détermine en grande partie les variations saisonnières des propriétés biogéochimiques dans la couche de surface Printemps : bloom phytoplanctonique réchauffement printanier induit une stabilisation de la colonne d eau qui permet l utilisation des sels nutritifs par la biomasse phytoplanctonique

11 Variabilité temporelle de pCO 2 au site Dyfamed

12 Mesures mensuelles en continu (fréquence d une mesure/min) dans les eaux de surface de pCO 2, température, salinité depuis le bateau de février 1998 à février 2000 Mesures horaires (pCO 2, température, salinité, fluorescence, vitesse du vent) depuis la bouée Carbone (LODYC, L. Merlivat) mouillée sur le site du 14 février au 15 mai 1999 et du 29 septembre au 20 octobre 1999 Durée des mesures bateau 1 journée variabilité entre deux mesures mensuelles décrite à partir de la bouée Carbone

13 Situation typique : front de pCO 2 associé au front de salinité pCO 2 plus faible dans la zone côtière que centrale Situation exceptionnelle : front de pCO 2 sans front de salinité, mais associé à un fort gradient de température (automne) Mai 1999 Novembre 1999

14 Bon accord entre les mesures simultanées bateau/bouée Variabilité journalière la plus forte en hiver Sous-estimation possible des valeurs moyennes mensuelles de pCO 2 obtenues depuis le bateau en hiver

15 Variabilité la plus forte en hiver (journée et mois) succession d effets opposés : pCO 2 par remontée d eau profonde riche en CO 2 pCO 2 par production biologique stimulée par apport de sels nutritifs profonds

16 Hiver (janvier-mars) : fortes fluctuations de pCO 2 alors que température voisine de 13°C Avril-décembre : pCO 2 varie parallèlement avec la température Cycle annuel de pCO 2 (13°C) de 100 µatm processus qui contrebalancent laugmentation de pCO 2 avec la température (production biologique, échanges avec latmosphère, mélange vertical) Cycle annuel de pCO 2 de 120 µatm

17 Bon accord général entre les cycles et les mesures de (bouée Carioca) sauf en mai, septembre et octobre écarts liés à des variations interannuelles

18 Prédiction des valeurs de pCO 2

19 Relations pCO 2 (13°C)- température Établir des relations pCO 2 (13°C)-température Prédire lévolution annuelle moyenne de pCO 2 (13°C) en fonction de la température (paramètre couramment mesuré, bouée Météo France au site Dyfamed) Evaluer les échanges air-mer de CO 2 au site Dyfamed par reconstruction du champ de pCO 2 à partir de pCO 2 (13°C)

20 Relations saisonnières pCO 2 (13°C)-température différentes : corrélation avril-août prédiction de pCO 2 (13°C) à ± 7 µatm corrélation août-décembre prédiction de pCO 2 (13°C) à ± 15 µatm corrélation nulle en hiver fluctuations maximales de pCO 2 (13°C) (~70 µatm) alors que température ~ 13°C corrélation pCO 2 (13°C) -salinité, prédiction de pCO 2 (13°C) à ± 7 µatm

21 mélange hivernal : pCO 2 (13°C)-salinité (dynamique verticale) avril-décembre : prédiction de pCO 2 (13°C) en fonction de la température meilleure pour la période printemps-été qu automnale validité des corrélations à vérifier dans le temps à cause de la perturbation anthropique du CO 2 atmosphérique

22 Flux net annuel de CO 2

23 Évolution saisonnière de pCO 2eau, définie à partir des moyennes mensuelles bateau de pCO 2eau déduire flux net annuel de CO 2 au site Dyfamed (zone source/puits de CO 2 pour l atmosphère?) flux net mensuel de CO 2 : F = k s (pCO 2air - pCO 2eau ) s : coefficient de solubilité du CO 2 pCO 2air - pCO 2eau : gradient de CO 2 à l interface air- mer (moyenne mensuelle de pCO 2eau et de pCO 2air )

24 k : coefficient de transfert estimé à partir de relations empiriques en fonction de la vitesse du vent selon la formule utilisée dans la littérature (L&M, Wa92 et Wa99), k diffère d un facteur 2 v3v3 v2v2

25 Vitesse de vent horaire issue bouée Météo-France mouillée à Dyfamed depuis mars 1999 Vitesse de vent tri-horaire du Cap-Corse (ajustées à la bouée Météo) pour la période antérieure fortes valeurs de estimées selon Wa92 et Wa99 en décembre et novembre 1999 vents violents

26 Flux mensuels 2 fois plus forts avec Wa92 que L&M Flux entrants plus forts en 1999 que 1998 (surtout automne 1999) F = k s (pCO 2air - pCO 2eau ) Les échanges sont dirigés de l atmosphère vers la mer pendant la période de sous- saturation en CO 2 (hiver et automne), et inversement pendant la période de sur- saturation (été)

27 Flux nets annuels de CO 2 en 1998 et 1999 : air mer période de sous-saturation en CO 2 de leau/latmosphère correspond à période de vents forts Flux % flux de 1998 épisodes dévénements venteux en 1999 Dyfamed : faible puits de CO 2 atmosphérique ( mol m -2 an -1 ) moyenne océan mondial

28 Comment améliorer lestimation du flux ? Connaître précisément le flux hivernal car variabilité à courte échelle de temps de pCO 2eau importante en hiver erreur sur le flux net annuel, Dyfamed = zone puits de CO 2 atmosphérique à confirmer à l aide de mesures fréquentes (permanentes) sur le site pendant la période hivernale ( bouée) Connaître précisément le champ de vent Prendre en compte dans les relations qui déterminent le coefficient d échange les phénomènes non-paramétrisés : état de la mer, pénétration de bulles par régime de vents forts, effet du vent sur le degré d agitation de la mer…

29 Processus à lorigine des variations annuelles de pCO 2

30 quantifier les processus responsables des variations saisonnières de TCO 2 dans la couche de mélange, à partir d un modèle vertical (site Dyfamed = 1 D) Etude des processus à l origine des variations annuelles de pCO 2

31 TCO 2 obs = TCO 2 mél + TCO 2 éch + TCO 2 bio TCO 2 obs : variation de TCO 2 entre deux mois TCO 2 éch estimé à partir du flux mensuel de CO2 échangé entre deux mois TCO 2 mél = somme de la diffusion verticale et du mélange vertical TCO 2 bio obtenu par différence

32 CO 2 Atmosphère Couche de mélange TCO 2 prof TCO 2 Matière organique base variable de la couche de mélange Advection h Echange à linterface Diffusion Mélange vertical Production nette de carbone

33 faible contribution des échanges atmosphériques, sauf en été les mélanges verticaux prédominants en automne [TCO 2 ] [TCO 2 ] du fait de la production biologique fin hiver à l été (~100 mmol C m -3 )

34 NO - 3bio = NO - 3obs - NO - 3mél TCO 2bio / NO - 3bio = C/N) Redfield = 6.6 NO - 3bio 0, TCO 2bio = 1/3 consommation de C TCO 2bio / NO - 3bio ~ 20 et consommation de C déduite des variations de TCO 2 = 3 consommation de C déduite de l utilisation des NO

35 La décroissance de TCO 2 observée chaque année dans la couche de mélange apparaît essentiellement comme le résultat de la fixation biologique de CO 2. Estimation de la production nette de C basée sur les variations observées du contenu en TCO 2 dans la couche de mélange, est de : 52 gC m -2 en gC m -2 en 1999 Utilisation du rapport de Redfield et la consommation biologique de NO 3 -, conduit à une production nette de C de : 33 gC m -2 en gC m -2 en 1999 Surconsommation apparente de carbone % azote source dazote en l absence de nitrate, assurant une fixation supplémentaire de CO 2 : fixation de N 2 atmosphérique ou formation de matière organique dissoute à C/N élevé ( = matière organique riche en carbone) Décroissance de TCO 2 carbone stocké sous forme de COD, en l absence de nitrate

36 Conclusions Cycle annuel de pCO 2 bien défini avec des périodes de sous et de sursaturation puits de CO 2 atmosphérique (~ moyenne annuelle mondiale), dont lampleur dépend du flux hivernal prédiction des valeurs de pCO 2 à partir de mesures de température et salinité estimation de la production nette de carbone à partir des variations saisonnières de TCO 2 > estimation la production nette de carbone à partir de la consommation en nitrate

37 Perspectives Résoudre le problème posé par la variabilité temporelle du flux hivernal (zones de plongée deau) Améliorer la connaissance de la distribution verticale du système des carbonates dans le bassin liguro-provençal estimation plus fine des processus Estimer les échanges air-mer de CO 2 à léchelle de la Méditerranée étude des variations saisonnières de pCO 2 dans dautres zones clés de la Méditerranée (zones cycloniques et anticycloniques)


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