et Stéphane Blain, Université d’Aix Marseille II Le système automatisé MAREL-Iroise: mesures haute fréquence en environnement côtier, suivi de f CO2 dans l’eau de mer de surface Anne Julie Cavagna, Jacques Guillou , Emilie Follenfant, et Paul Tréguer, IUEM-UBO-CNRS et Stéphane Blain, Université d’Aix Marseille II

Introduction 1-Objectifs de l’Observatoire du Domaine côtier de l’IUEM 2-Variabilité des paramètres physiques, chimiques et biologiques depuis 2000 3-Suivi de la fugacité en CO2 depuis 2003: premier bilan Conclusions et perspectives

Le site  d’observation

Le site d’implantation de MAREL-Iroise Interface entre l’océan Atlantique et la rade de Brest Importance des échanges avec l’océan Absence de stratification sauf en période de crues

1-Objectifs de l’Observatoire du Domaine côtier de l’IUEM 1-Observation de la variabilité physique, chimique et biologique d’écosystèmes et de biotopes typiques de l’Europe Occidentale 2-Base de données (Système d’information de l’Environnement Côtier) 3-Variablité climatique naturelle vs. anthropique 4-Modélisation diagnostique et prognostique

2-Variabilité des paramètres physiques, chimiques et biologiques depuis 2000

(Mole de Ste Anne du Portzic) Bouée MAREL IROISE Station SOMLIT (Mole de Ste Anne du Portzic)

Station Automatique MAREL "Iroise" Collaboration IUEM/UBO- IFREMER- INSU Opérationnelle depuis juillet 2000 haute fréquence F=20 mn Température, salinité, oxygène dissous, pH, turbidité, fluorescence, PAR, météorologie, pCO2 depuis février 2003 Transmission des données en temps réel Affichage graphique : site web http://www.ifremer.fr/mareliroise/

3-Suivi de la fugacité en CO2 depuis 2003: premier bilan

Contexte scientifique Aujourd’hui : 7,5 ± 1,5 GtC.an-1 Cycle global du carbone (années 1990) 1/2 des émissions anthropiques stockée dans l’atmosphère l’autre 1/2 absorbée par l’océan et la biosphère terrestre océan : puits majeur de CO2 atmosphérique anthropique (30%) rôle clé de la zone côtière

Objectifs de l’étude menée en coopération entre l’IUEM, le LODyC, l’INSU et l’Ifremer/DITI Aptitude du capteur CARIOCA à la mesure de f CO2 (variabilité importante en environnement côtier) Analyse de la variabilité annuelle et journalière pour f CO2 et O2 de surface en environnement côtier (étude série temporelle en un point fixe) Estimation flux d’échange de CO2 à l’interface océan / atmosphère : source ou puits à l’échelle annuelle ?

Le système automatisé MAREL-Iroise Mesure dans l’air : PAR (Photosynthetically Available Radiation) Mesure dans l’eau pompée : température, salinité, turbidité, fluorescence, O2 dissous Système anti-salissure pompe Capteur de f CO2 immergé avec système anti-salissure intégré air mer

le capteur de f CO2 type CARIOCA Poche de colorant (bleu de thymol) Spectrophotomètre mesurant la f CO2 eau de mer à partir de la variation de pH de la solution d’indicateur coloré (quand f CO2 augmente, pH diminue) Pompe et électronique Système anti-salissure : chloration par électrolyse de l’eau Fréquence de mesure horaire Gamme mesure : 200 et 800 µatm (précision de ± 3 µatm)

Le capteur de f CO2 type CARIOCA Technique de mesure du capteur CARIOCA Cellule du spectrophotomètre pc0 PE1 PE2 PE3 PE4 pc4 I0 I Eau de mer Solution d’indicateur coloré Bleu de Thymol dans eau de mer Membrane semi-perméable en silicone 1ère période 2ème période 3ème période 4ème période fCO2 colorant 4 = (1 - µ)(P4 + µP3 + µ2P2 + µ3P1) + µ4p0 µ = e -∆t/τ avec ∆t = 1 heure et τ = 30 min

le capteur de f CO2 type CARIOCA Sur le système automatisé MAREL-Iroise : impact du biofouling Courant de chloration optimal pour parer au biofouling sans affecter la mesure de f CO2 : 20 mA

Variabilité annuelle de f CO2 et de O2 Observation qualitative d’une anticorrélation entre O2 et f CO2 à l’échelle annuelle Forte anticorrélation en période productive Dérive du capteur CARIOCA

Variabilité journalière de f CO2 et de O2 Haute variabilité journalière pour O2 et f CO2

Variabilité journalière de la f CO2 et de l’O2 23 mai (00h) au 10 juin (09h) Outil Transformée de Fourier Marée O2 Impact du cycle diurne et du cycle de marée sur la variabilité journalière de O2 et f CO2 (échange avec l’atmosphère pas pris en compte) f CO2

Utilisation des mesures de pCO2 atmosphériques Mace Head Site de mesure le plus proche de la zone d’étude Mace Head (ORE-RAMCES) pCO2 atm (moyenne annuelle) = 371,6 ± 7,4 µatm xCO2 (moyenne annuelle) = 377 ± 6 ppm Année 2003

Mace Head, pylône de prélèvement (http://www.ipsl.jussieu.fr/services/Observations/OLD/RAMCES/SITEmhd.htm)

Estimation du flux d’échange de CO2 entre océan et atmosphère F = k . α . ∆ p CO2 sea-air Vitesse de transfert du CO2 Wanninkhof (1992) Coefficient de solubilité Weiss (1974) Bilan annuel du flux d’échange de CO2 entre océan et atmosphère au niveau du site d’implantation de MAREL-Iroise : F = 2,4 ± 0,7 mol C.m-2.an-1 F = 28,8 ± 7,9 g C.m-2.an-1 F = 105,6 ± 28,6 g CO2.m-2.an-1

Estimation du flux d’échange de CO2 entre océan et atmosphère La zone étudiée est une source nette de CO2 pour l’atmosphère à l’échelle annuelle (pour l’année 2003) D’après l’estimation du flux, le système serait donc hétérotrophe net à l’échelle annuelle   Bilan annuel du flux de CO2 (mol.m-2.an-1) sud de la mer du Nord 0,5 (Thomas et al., 2004) panache de la rivière Scheldt (côte belge) 1,1 à 1,9 (Borges et Frankignoulle., 2002) Manche environ 0 (Borges et Frankignoulle., 2003) estuaires extérieurs (Europe) environ 10 (Frankignoulle et al., 1998) estuaires intérieurs (Europe) environ 100 (Frankignoulle et al., 1998) Interface mer d'Iroise / rade de Brest (Bretagne) 2,4 ± 0,7 (résultats de cette étude)

Conclusion générale et perspectives Importance et complexité des processus régissant la variabilité de la f CO2 à l’échelle journalière Estimation de la zone d’étude comme une source nette de CO2 pour l’atmosphère ; bilan annuel typique de l’Europe du Nord (environnement côtier) Intérêt d’installer des systèmes autonomes tels que MAREL-Iroise ,caractérisés par acquisition série temporelle à haute fréquence, en environnement côtier Quantification des processus régissant la variabilité de la f CO2 à l’échelle journalière Etude sur le long terme de la série temporelle à haute fréquence de f CO2 Validation de l’exactitude des mesures automatiques de f CO2 par des mesures indirectes Mesure de pCO2 atmosphérique sur le site d’implantation de MAREL-Iroise

Mesures haute fréquence de la f CO2 de l’eau de mer de surface en environnement côtier par le système automatisé MAREL-Iroise Anne Julie Cavagna

Impact de la chloration sur les mesures de f CO2 Augmentation de la FFU couplé à la baisse de f CO2 jusqu’au 21 mars A partir du 21 mars augmentation de la f CO2 non corrélée à une baisse de la FFU (µg.L-1) Variabilité de la f CO2 due en partie à une activité biologique et en partie un impact de la chloration Pas de sursaturation significative du % O2 dissous

Le capteur de f CO2 type CARIOCA Technique de mesure du capteur CARIOCA pc0 PE1 PE2 PE3 PE4 pc4 Source de lumière Membrane silicone Mesure de l’absorbance optique à 596, 435, 810 nm Indicateur coloré Bleu de Thymol dans eau de mer EAU DE MER 1ère période 2ème période 3ème période 4ème période pCO2 colorant 4 = (1 - µ)(P4 + µP3 + µ2P2 + µ3P1) + µ4p0 µ = e -∆t/τ avec ∆t = 1 heure et τ = 30 min