Quels processus modifient les flux de CO2 ?

Quels processus modifient les flux de CO2 ?

La distribution des flux de CO2 est contrôlée par la solubilité du CO2 et des processus physiques et biologiques .

• La pompe de solubilité
La dissolution du CO2 dans l’eau de mer dépend de la température, elle est facilitée par la coexistence de plusieurs formes inorganiques dissoutes contenant du carbone. La solubilité du CO2 augmente lorsque l’eau se refroidit et, par conséquent, la fCO2 océanique diminue. La température de la couche de surface de l’océan a donc un rôle déterminant sur le flux de CO2 entre l’océan et l’atmosphère. Néanmoins, l’océan de surface en contact avec l’atmosphère ne représente que 2% de la masse océanique totale ce qui n’offre qu’une très faible capacité de dilution. Le CO2 pénètre dans l’océan profond grâce à la pompe physique.

• La pompe physique
Le stockage du carbone dans les eaux profondes est assuré par la circulation océanique : les plongées d’eau en profondeur et les mélanges entre masses d’eau. Lorsque les eaux tropicales superficielles chaudes sont entraînées vers les hautes latitudes, elles se refroidissent et s’enrichissent en CO2. Une fois les latitudes polaires atteintes, ces eaux refroidies, plus denses, plongent vers les profondeurs et entraînent avec elles du carbone. Il n’est pas rare de trouver dans les diverses définitions, la pompe de solubilité intégrée à la notion de pompe physique. Le CO2 est également transporté ou plutôt utilisé par la pompe biologique.

• La pompe biologique et la contre-pompe
Le phytoplancton synthétise le carbone organique indispensable à son développement par la photosynthèse. Cette production primaire, maximale lors des floraisons printanières, a lieu dans la couche euphotique de l’océan car elle nécessite de la lumière et consomme des sels nutritifs et du CO2 (CT carbone total ou carbone inorganique dissous) pour former de la matière organique. Quand le phytoplancton meurt ou excrète des détritus, les tissus morts se décomposent dans l’eau sous forme de carbone organique dissous (COD) ou s’accumulent sous forme d’agrégats le carbone organique particulaire (COP). Ces deux formes du carbone organique, COD et COP, sont reminéralisées sous forme de carbone inorganique dissous (CT) par deux processus : la dégradation par les rayonnements ultraviolets et la respiration. Dans la couche de surface de l’océan la photosynthèse domine le bilan net entre photosynthèse et respiration. En conséquence l’activité biologique fait baisser la fCO2 dans la couche de surface.

En parallèle, certaines espèces de phytoplancton fabriquent des squelettes externes (ou tests) en carbonate de calcium CaCO3. Ceci entraîne une diminution des carbonates dans la couche de surface et, par voie de conséquence, une diminution de la quantité totale de carbone inorganique dissous en surface. L’équilibre du système des carbonates est modifié et entraîne une augmentation de fCO2 en surface. On appelle ce phénomène la contre-pompe des carbonates. En moyenne globale, c’est l’effet de pompe biologique qui l’emporte, diminuant la quantité de carbone dissous en surface.

La couche de surface n’est pas le seul lieu de l’océan où se trouve le carbone organique. En effet le carbone organique dissous et particulaire (COD et COP) n’est pas totalement reminéralisé dans la couche euphotique. La part de ce carbone organique non reminéralisé en surface coule vers les profondeurs de l’océan et est soit reminéralisée pendant sa chute, soit reste intacte jusqu’au fond. Ce flux de carbone descendant de la surface vers le fond est appelé la production exportée. Ce carbone est ainsi isolé de l’atmosphère pour des décennies voire des siècles. Ces eaux profondes, riches en carbone, sont ensuite transportées vers la surface par les processus dynamiques.

Les données et les outils 

Dans la présente étude, les observations in situ océaniques sur le cycle du carbone ainsi que les paramètres biogéochimiques associés et les observations satellitales (e.g. couleur de l’océan et autres paramètres SeaWiFS, vent, SST et anomalie de SST, ozone, nuages) sont étudiées. Les données utilisées ont été prélevées à bord de l’Astrolabe dans le cadre du programme MINERVE ainsi qu’à bord du MarionDufresne lors d’une des campagnes du programme OISO effectuée entre Fremantle en Australie et Dumont D’Urville.

Les données in situ 

De façon générale, pour les analyses de l’eau de mer de surface (prélèvements discrets ou mesures en continu), l’eau est pompée à l’avant du bateau à une profondeur d’environ 5 mètres. Un thermosalinomètre (SBE 21 sur l’Astrolabe et SBE 5 sur le Marion-Dufresne) mesure en continu la SST et la conductivité de l’eau de mer avec une précision de 0,01°C et 0,001S/m. Les mesures sur l’Astrolabe sont effectuées dans le cadre du programme SURVOSTRAL (SURVeillance de l’Océan AuSTRAL).

Le carbone total CT et l’alcalinité totale AT
L’équilibre chimique entre les formes gazeuses et dissoutes du CO2, est régi par la série d’équilibre suivante :

CO2+H2O↔H2CO3↔H⁺ + HCO3⁻ ↔2H⁺ +CO3 2⁻

Le CO2 réagit avec l’eau pour former de l’acide carbonique H2CO3 qui est lui-même en équilibre avec les ions carbonates CO3 2- et les ions bicarbonates HCO3 – , 90% est sous cette dernière forme. Cet ensemble forme le système des carbonates. Ainsi, une fois dissous dans l’océan de surface, l’addition du CO2 transforme des carbonates en bicarbonates, ce qui apparaît en combinant les équilibres précédents sous la forme synthétique :

CO2+H2O+CO3 2⁻ ↔2HCO3⁻

Instrumentation : La chaîne de mesure française (LBCM), qu’elle soit en mode d’utilisation ″analyse en continu″ (à bord du bateau) ou ″analyse d’échantillons discrets″ (au laboratoire), est basée sur la méthode potentiométrique d’Edmond (1970). Un dosage de l’eau de mer, considérée comme étant une base faible, par un acide fort est réalisé. La chaîne de mesure australienne (CSIRO) est basée sur la méthode coulométrique de Johnson (1992). L’étalonnage se fait grâce à des références d’eau de mer certifiées (CRM) fournies par le Dr. A. Dickson (Scripps Institution, USA). La méthode non linéaire des Dr. C. Goyet et A. Dickson utilisée pour calculer les points équivalents (D.O.E., 1994) permet d’obtenir l’AT, le CT et le pH. Le système et la chaîne de montage du LBCM sont décrits en détail sur le site du laboratoire (http://www.lbcm.jussieu.fr/). La mesure de CT s’effectue généralement avec des incertitudes de 2µmol/kg, celle d’AT avec des incertitudes de 4µmol/kg.

Prélèvement : En 1996/97, des échantillons discrets d’eau de mer ont été prélevés toutes les 3 heures puis empoisonnés avec une solution saturée de chlorure mercurique afin de stopper l’activité biologique et ont été analysés au LBCM. En 2002/03, lors des campagnes à bord de l’Astrolabe, la chaîne de mesure du LBCM embarquée pour la première fois sur ce bateau n’a pas permis de réaliser des mesures d’AT/CT assez précises pour être exploitées. Les données de CT utilisées dans les chapitres suivants proviennent des mesures réalisées au laboratoire du CSIRO à Hobart sur des échantillons discrets prélevés à bord toutes les 6 heures. En 2003, lors de la campagne OISO10 à bord du Marion-Dufresne, les échantillons d’AT/CT ont été mesurés en continu par l’instrumentation du LBCM.

La chlorophylle
En 1996/97, ainsi qu’en 2003 lors de la campagne à bord du Marion-Dufresne, les échantillons de chlorophylle-a prélevés toutes les 4 heures, ont été analysés au LBCM par la méthode fluorimétrique de Yentsch et Menzel (1963) améliorée par Lorenzen (1966) et Neveux et Panouse (1987). Le protocole de traitement des échantillons est décrit en détail dans la thèse d’Aurélie Jabaud-Jan (2004). L’analyse des 3 dizaines de doublets effectués pour chacune des missions OISO1, 4 et 5 a indiqué une reproductibilité de 6%. En 2002/03, lors des campagnes à bord de l’Astrolabe, les échantillons de chlorophylle-a prélevés toutes les 2 à 10 heures ont été analysés par le laboratoire de l’Antarctic Division de Tasmanie selon les techniques standards d’HPLC avec une précision de 3 à 5%.

Les nutritifs
En 2002/03, les échantillons d’eau de mer ont été prélevés toutes les 4 à 6 heures en moyenne et ont été analysés au laboratoire du CSIRO à Hobart, selon les méthodes standards du CSIRO et au moyen d’un Autoanalyser. Les concentrations de silicate, de phosphate et de nitrate sont disponibles. Pour exemple, la précision de mesure pour les échantillons de la campagne R0, est de 0,70CV% pour les nitrates+nitrites, de 0,97CV% pour les silicates et 0,61CV% pour les phosphates ; CV est le coefficient de variation, c’est à dire l’écart-type divisé par la moyenne multiplié par 100%.

La fugacité de CO2 océanique et atmosphérique
La fugacité de CO2 (fCO2) est la pression partielle de CO2 (pCO2) tenant compte de la non-idéalité du gaz CO2.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I. Généralités
A. L’océan Austral
B. Quels processus modifient les flux de CO2 ?
C. Les données et les outils
C.1. Les données in situ
C.2. Les données satellitaires
C.3. Le calcul de flux de CO2
D. L’état des connaissances des données de CO2 récoltées dans le secteur sudest indien
CHAPITRE II. Variations saisonnières en 1996/1997 : année ″référence″
A. Distribution saisonnière de SST, SSS, chlorophylle-a, AT/CT, ∆fCO2 et des flux de CO2
A.1. SST et SSS
A.2. La chlorophylle-a
A.3. L’AT/CT
B. Confrontation avec la climatologie de Takahashi et al. et un modèle d’inversion atmosphérique
B.1. Comparaison avec les pCO2 de la climatologie de Takahashi et al., 2002
B.2. Comparaison avec les flux de CO2 issus du modèle d’inversion atmosphérique du projet FLAMENCO2
CHAPITRE III. Variations saisonnières en 2002/2003 : année ″atypique″
A. Distribution des paramètres hydrologiques
B. Distribution des paramètres biogéochimiques, de ∆fCO2 et des flux de CO2 dans la SAR
C. Distribution des paramètres biogéochimiques, de ∆fCO2 et des flux de CO2 au sud de 61,5°S
D. Distribution des paramètres biogéochimiques, de ∆fCO2 et des flux de CO2 dans la POOZ
CHAPITRE IV. Processus à l’origine du puits intense de CO2 dans la POOZ en février 2003
A. L’anomalie de SST
B. La lumière
B.1. Le régime mélange/lumière (rayonnements actifs photosynthétiquement, PAR)
B.2. Les rayonnements ultraviolets (UVR)
C. Les micronutriments et en particulier le fer
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE

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