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’atmosphèrel’autre 1/2 absorbée par l’océan et la biosphère terrestrepuits continental très incertainocéan : 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 permanentede type cyclonique

Zone

centrale

Zone fro

ntale

Présence d ’un fronthydrologique

eaux légères de faible salinité en périphérie et eaux denses au centreplongée hivernale d ’eau dense dans la zone centralestation Dyfamed protégée des apports latéraux par la présence de ce front site 1D en première approximation

Hiver : mélange verticalrefroidissement 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 : oligotrophieépuisement 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 phytoplanctoniqueréchauffement printanier induit une stabilisation de la colonne d ’eau quipermet 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

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

Mai 1999 Novembre 1999

Bon accord entre les mesures simultanées bateau/bouéeVariabilité journalière la plus forte en hiverSous-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

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)

Cycle annuel de pCO2 de 120 µatm

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 ’automnalevalidité des corrélations à vérifier dans le temps à cause de laperturbation 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)

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

v3

v2

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 antérieurefortes valeurs de <k> estimées selon Wa92 et Wa99 en décembre et novembre 1999 vents violents

Flux mensuels 2 fois plus forts avec Wa92 que L&MFlux entrants plus forts en 1999 que 1998 (surtout automne 1999)

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 nets annuels de CO2 en 1998 et 1999 : airmer 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 1999Dyfamed : 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

quantifier les processus responsables des variations saisonnières de TCO2 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 pCO2

TCO2 obs = TCO2 mél + TCO2 éch + TCO2 bio

TCO2 obs : variation de TCO2 entre deux moisTCO2 éch estimé à partir du flux mensuel de CO2 échangé entre deux moisTCO2 mél = somme de la diffusion verticale et du mélange verticalTCO2 bio obtenu par différence

CO2

Atmosphère

Couche de mélange

TCO2 prof

TCO2

Matière

organique

base variable de la couche de mélange

Advection h

Echange à l’interface

TCOh

ks pCO pCOéch atm eau2 2 21 ( )

Diffusion

1h

TCOz

2Kz

Mélange vertical

1h

ht

TCO TCO2prof 2

( )TCO mél2

Production nette de carbone

• 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

• 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

19991998

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)