Contribution à l’étude du système des carbonates en Méditerranée Miléna Bégovic

Perturbation anthropique du cycle global du carbone Prédire la teneur future en CO2 atmosphérique et son impact sur le climat CO2 : gaz à effet de serre  balance énergétique du système climatique Du fait de l’activité humaine, [CO2] atmosphérique a augmenté de 30% depuis les années 1800   sans équivalent de par l’amplitude et la vitesse des évolutions  modification globale du climat de la planète

Cycle global du Carbone (années 1990) flux en GtC an-1 1/2 des émissions anthropiques stockée dans l’atmosphère l’autre 1/2 absorbée par l’océan et la biosphère terrestre puits continental très incertain océan : puits majeur de CO2 atmosphérique anthropique (30%)

Absorption océanique du CO2 Pompe de solubilité régie par l’équilibre thermodynamique du CO2 : CO2 plus soluble dans les eaux froides des hautes latitudes qui sont des zones de formation d ’eaux denses   transfert du CO2 en profondeur Pompe biologique : consommation de CO2 et de sels nutritifs pour la réaction de photosynthèse dans les eaux de surface ( conversion du CO2 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 TCO2 (somme des espèces du CO2 dans l ’eau de mer, TCO2 = [CO2]+[HCO3-]+[CO32-])

Flux air-mer de CO2 Flux de CO2 (mol CO2 m-2 an-1) Takahashi T. et al., (1999) CO2 anthropique : flux global net de CO2 non nul  régions puits et source de CO2 non équilibrées flux global non résolu car forte variabilité saisonnière de la pression partielle de CO2 (pCO2) dans les eaux de surface de l ’océan  mesures en continu de pCO2eau et connaissance des processus conduisant à cette répartition .

Comprendre la variabilité saisonnière et interannuelle des espèces du CO2  étude de séries temporelles des espèces du CO2 en un point fixe Etude basée sur des mesures mensuelles de pCO2eau , de la répartition de TCO2 dans la colonne d ’eau, sur deux années (février 1998-février 2000), au site Dyfamed (programme JGOFS-Fr) (Méditerranée nord-occidentale)

Plan Résultats : caractéristiques hydrologiques et biogéochimiques variabilité temporelle de pCO2 au site Dyfamed Prédiction des valeurs de pCO2 Échanges de CO2 au site Dyfamed  zone puits ou source de CO2 Évaluation de la pompe biologique de CO2

Caractéristiques hydrologiques et biogéochimiques

 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 

Hiver : mélange vertical Été : oligotrophie 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 1998-1999 que 1997-1998 (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 40-50 m limite l ’apport des sels nutritifs à la surface ([NO3-]<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

Variabilité temporelle de pCO2 au site Dyfamed

Variabilité temporelle de pCO2 au site Dyfamed Mesures mensuelles en continu (fréquence d ’une mesure/min) dans les eaux de surface de pCO2, température, salinité depuis le bateau de février 1998 à février 2000 Mesures horaires (pCO2, 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

Mai 1999 Novembre 1999 Situation typique : front de pCO2 associé au front de salinité  pCO2 plus faible dans la zone côtière que centrale Situation exceptionnelle : front de pCO2 sans front de salinité, mais associé à un fort gradient de température (automne)

Bon accord entre les mesures simultanées bateau/bouée Variabilité journalière la plus forte en hiver Sous-estimation possible des valeurs moyennes mensuelles de pCO2 obtenues depuis le bateau en hiver

Variabilité la plus forte en hiver (journée et mois)  succession d ’effets opposés : •pCO2  par remontée d ’eau profonde riche en CO2 •pCO2  par production biologique stimulée par apport de sels nutritifs profonds

Cycle annuel de pCO2 de 120 µatm Hiver (janvier-mars) : fortes fluctuations de pCO2 alors que température voisine de 13°C Avril-décembre : pCO2 varie parallèlement avec la température Cycle annuel de pCO2(13°C) de 100 µatm  processus qui contrebalancent l’augmentation de pCO2 avec la température (production biologique, échanges avec l’atmosphère, mélange vertical)

Bon accord général entre les cycles 1998-1999 et les mesures de 1995-1997 (bouée Carioca) sauf en mai, septembre et octobre  écarts liés à des variations interannuelles

Prédiction des valeurs de pCO2

Relations pCO2(13°C)-température Établir des relations pCO2(13°C)-température Prédire l’évolution annuelle moyenne de pCO2(13°C) en fonction de la température (paramètre couramment mesuré, bouée Météo France au site Dyfamed) Evaluer les échanges air-mer de CO2 au site Dyfamed par reconstruction du champ de pCO2 à partir de pCO2(13°C)

Relations saisonnières pCO2(13°C)-température différentes : • corrélation avril-août  prédiction de pCO2(13°C) à ± 7 µatm • corrélation août-décembre  prédiction de pCO2(13°C) à ± 15 µatm • corrélation nulle en hiver  fluctuations maximales de pCO2(13°C) (~70 µatm) alors que température ~ 13°C  corrélation pCO2(13°C) -salinité, prédiction de pCO2(13°C) à ± 7 µatm

mélange hivernal : pCO2(13°C)-salinité (dynamique verticale) avril-décembre : prédiction de pCO2(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 CO2 atmosphérique

Flux net annuel de CO2

Flux net annuel de CO2 Évolution saisonnière de pCO2eau, définie à partir des moyennes mensuelles bateau de pCO2eau  déduire flux net annuel de CO2 au site Dyfamed (zone source/puits de CO2 pour l ’atmosphère?) flux net mensuel de CO2 : F = k s (pCO2air - pCO2eau) s : coefficient de solubilité du CO2 pCO2air - pCO2eau : gradient de CO2 à l ’interface air-mer (moyenne mensuelle de pCO2eau et de pCO2air)

v3 v2 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

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 <k> estimées selon Wa92 et Wa99 en décembre et novembre 1999  vents violents

F = k s (pCO2air - pCO2eau) Les échanges sont dirigés de l ’atmosphère vers la mer pendant la période de sous-saturation en CO2 (hiver et automne), et inversement pendant la période de sur-saturation (été) Flux mensuels 2 fois plus forts avec Wa92 que L&M Flux entrants plus forts en 1999 que 1998 (surtout automne 1999)

Flux nets annuels de CO2 en 1998 et 1999 : airmer  période de sous-saturation en CO2 de l’eau/l’atmosphère correspond à période de vents forts Flux 1999  100% flux de 1998  épisodes d’événements venteux en 1999 Dyfamed : faible puits de CO2 atmosphérique (0.15-0.79 mol m-2 an-1)  moyenne océan mondial

Comment améliorer l’estimation du flux ? Connaître précisément le flux hivernal car variabilité à courte échelle de temps de pCO2eau importante en hiver  erreur sur le flux net annuel, Dyfamed = zone puits de CO2 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…

Processus à l’origine des variations annuelles de pCO2

Etude des processus à l ’origine des variations annuelles de pCO2 quantifier les processus responsables des variations saisonnières de TCO2 dans la couche de mélange, à partir d ’un modèle vertical (site Dyfamed = 1 D)

TCO2 obs = TCO2 mél + TCO2 éch + TCO2 bio TCO2 obs : variation de TCO2 entre deux mois TCO2 éch estimé à partir du flux mensuel de CO2 échangé entre deux mois TCO2 mél = somme de la diffusion verticale et du mélange vertical TCO2 bio obtenu par différence .

Atmosphère CO2 Couche de mélange h TCO2 TCO2 prof Echange à l’interface Couche de mélange Advection Production nette de carbone Matière organique h TCO2 Diffusion Mélange vertical base variable de la couche de mélange TCO2 prof

• faible contribution des échanges atmosphériques, sauf en été • les mélanges verticaux prédominants en automne   [TCO2]  •  [TCO2] du fait de la production biologique fin hiver à l ’été (~100 mmol C m-3)

NO-3bio =  NO-3obs -  NO-3mél 1999 1998 NO-3bio =  NO-3obs -  NO-3mél  • TCO2bio/NO-3bio = 10.7-7.9  C/N)Redfield = 6.6 • NO-3bio  0, TCO2bio = 1/3 consommation de C • TCO2bio/NO-3bio ~ 20 et consommation de C déduite des variations de TCO2 = 3  consommation de C déduite de l ’utilisation des NO-3

La décroissance de TCO2 observée chaque année dans la couche de mélange apparaît essentiellement comme le résultat de la fixation biologique de CO2 . Estimation de la production nette de C basée sur les variations observées du contenu en TCO2 dans la couche de mélange, est de : 52 gC m-2 en 1998 93 gC m-2 en 1999 Utilisation du rapport de Redfield et la consommation biologique de NO3-, conduit à une production nette de C de : 33 gC m-2 en 1998 58 gC m-2 en 1999 Surconsommation apparente de carbone % azote  source d’azote en l ’absence de nitrate, assurant une fixation supplémentaire de CO2 : fixation de N2 atmosphérique ou formation de matière organique dissoute à C/N élevé ( = matière organique riche en carbone) Décroissance de TCO2  carbone stocké sous forme de COD, en l ’absence de nitrate

Conclusions Cycle annuel de pCO2 bien défini avec des périodes de sous et de sursaturation puits de CO2 atmosphérique (~ moyenne annuelle mondiale), dont l’ampleur dépend du flux hivernal prédiction des valeurs de pCO2 à partir de mesures de température et salinité estimation de la production nette de carbone à partir des variations saisonnières de TCO2 > estimation la production nette de carbone à partir de la consommation en nitrate

Perspectives Résoudre le problème posé par la variabilité temporelle du flux hivernal (zones de plongée d’eau) 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 CO2 à l’échelle de la Méditerranée  étude des variations saisonnières de pCO2 dans d’autres zones clés de la Méditerranée (zones cycloniques et anticycloniques)