le système automatisé marel- iroise: mesures haute fréquence en environnement côtier, suivi de f...
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Le système automatisé MAREL-Le système automatisé MAREL-Iroise: mesures haute fréquence en Iroise: mesures haute fréquence en environnement côtier, suivi de environnement côtier, suivi de f f COCO22
dans l’eau de mer de surfacedans l’eau de mer de surface
Anne Julie Cavagna, Jacques Guillou , Emilie Anne Julie Cavagna, Jacques Guillou , Emilie Follenfant, et Paul Tréguer, IUEM-UBO-CNRSFollenfant, et Paul Tréguer, IUEM-UBO-CNRS
et Stéphane Blain, Université d’Aix Marseille IIet 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-IroiseLe site d’implantation de MAREL-Iroise
Site d’implantation
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’informationde l’Environnement Côtier)
3-Variablité climatique naturelle vs. anthropique
4-Modélisation diagnostique et prognostique
2-Variabilité des paramètres physiques, chimiques et biologiques depuis 2000
Bouée MAREL IROISE
Station SOMLIT(Mole de Ste Anne du Portzic)
Station Automatique MAREL "Iroise"
Collaboration IUEM/UBO- IFREMER- INSU
Transmission des données en temps réel
Affichage graphique : site web
http://www.ifremer.fr/mareliroise/
haute fréquence F=20 mn
Température, salinité, oxygène dissous, pH, turbidité, fluorescence,
PAR, météorologie,
pCO2 depuis février 2003
Opérationnelle depuis juillet 2000
SOMLIT BRESTTEMPERATURE
8
10
12
14
16
18
20
janv-98 janv-99 janv-00 janv-01 janv-02 janv-03 janv-04
°C
8
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12
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juil0
2
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t02
no
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3
ma
i03
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3
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t03
no
v03
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v04
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ma
i04
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4
Te
mp
era
ture
(°C
)
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12
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16
18
20MAREL
SOMLIT
SOMLIT BREST SALINITE NITRATES
0
20
40
60
80
janv-98 janv-99 janv-00 janv-01 janv-02 janv-03 janv-04
µM
30
31
32
33
34
35
36
28
30
32
34
36
juil0
0
sep
t00
no
v00
jan
v01
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1
ma
i01
juil0
1
sep
t01
no
v01
jan
v02
ma
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ma
i02
juil0
2
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t02
no
v02
jan
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ma
rs0
3
ma
i03
juil0
3
sep
t03
no
v03
jan
v04
ma
rs0
4
ma
i04
juil0
4
Sa
linité
28
30
32
34
36
MAREL
SOMLIT
SOMLIT BRESTOxygène dissous / Chlorophylle a
5
6
7
8
janv-98 janv-99 janv-00 janv-01 janv-02 janv-03 janv-04
ml /
litr
e
0
2
4
6
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µg
/l
0
2
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juil0
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jan
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1
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i01
juil0
1
sep
t01
no
v01
jan
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2
ma
i02
juil0
2
sep
t02
no
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jan
v03
ma
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3
ma
i03
juil0
3
sep
t03
no
v03
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v04
ma
rs0
4
ma
i04
juil0
4
Ch
loro
ph
ylle
a (
µg
/l)
0
2
4
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12
MAREL
SOMLIT
3-Suivi de la fugacité en CO2 depuis 2003: premier bilan
Contexte scientifiqueContexte scientifique
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
Cycle global du carbone
(années 1990)
Aujourd’hui :
7,5 ± 1,5 GtC.an-1
Objectifs de l’étude menée en coopération entre l’IUEM, le Objectifs de l’étude menée en coopération entre l’IUEM, le LODyC, l’INSU et l’Ifremer/DITILODyC, l’INSU et l’Ifremer/DITI
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 ?
Aptitude du capteur CARIOCA à la mesure de f CO2 (variabilité importante en environnement côtier)
Le système automatisé MAREL-IroiseLe système automatisé MAREL-Iroise
mer
air
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
le capteur de le capteur de ff CO CO22 type CARIOCA type CARIOCA
Système anti-salissure : chloration par électrolyse de l’eau
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)
• Fréquence de mesure horaire
• Gamme mesure : 200 et 800 µatm (précision de ± 3 µatm)
Pompe et électronique
Poche de colorant (bleu de thymol)
Le capteur de Le capteur de ff CO CO22 type CARIOCA type CARIOCA
• Technique de mesure du capteur CARIOCA
1ère période 2ème période 3ème période 4ème période
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14
temps en heures
pCO
2 (µ
atm
)
Peau de mer
p colorant
fCO2 colorant 4 = (1 - µ)(P4 + µP3 + µ2P2 + µ3P1) + µ4p0
µ = e -∆t/τ avec ∆t = 1 heure et τ = 30 min
Cellule du spectrophotomètre
pc0
PE1
PE2
PE3
PE4
pc4
I0 I
Membrane semi-perméable en silicone
Eau de mer
Solution d’indicateur coloré Bleu de Thymol dans eau de mer
le capteur de le capteur de ff CO CO22 type CARIOCA 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 mA20 mA
Variabilité annuelle de Variabilité annuelle de ff CO CO22 et de O et de O22
200
300
400
500
600
700
800
18/02/200300:00
09/04/200300:00
29/05/200300:00
18/07/200300:00
06/09/200300:00
26/10/200300:00
15/12/200300:00
fCO
2 (µ
atm
))
85
95
105
115
125
% O
2 di
ssou
s
fCO2 à 16°C
% O2
Dérive du capteur CARIOCA
Observation qualitative d’une anticorrélation entre O2 et f CO2 à l’échelle annuelle
Forte anticorrélation en période productive
Variabilité journalière de Variabilité journalière de ff CO CO22 et de O et de O22
Du 10 au 20 décembre (période non productive)
150
250
350
450
550
650
10/1200:00
11/1200:00
12/1200:00
13/1200:00
14/1200:00
15/1200:00
16/1200:00
17/1200:00
18/1200:00
19/1200:00
20/1200:00
fCO
2 (µ
atm
)
85
87
89
91
93
95
% O
2 di
ssou
s
fCO2 à 16°Chauteur d'eau (cm)% O2
Du 23 mai au 03 juin (période productive)
150
250
350
450
550
650
23/0500:00
24/0500:00
25/0500:00
26/0500:00
27/0500:00
28/0500:00
29/0500:00
30/0500:00
31/0500:00
01/0600:00
02/0600:00
03/0600:00
fCO
2 (µ
atm
)
80
90
100
110
120
% O
2 di
ssou
s
fCO2 à 16°Chauteur d'eau (cm)% O2
Haute variabilité Haute variabilité journalière pour journalière pour OO22 et et ff CO CO22
Variabilité journalière de la Variabilité journalière de la ff CO CO22 et de l’O et de l’O22
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)
0 50 100 150 200 250 300100
200
300
400
500
600
700
var
heure0 50 100 150 200 250 300
100
200
300
400
500
600
700
var
heure
0 50 100 150 200 250 300 350 400 45096
98
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112
114
116
var
heure0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
96
98
100
102
104
106
108
110
112
114
116
var
heure
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450260
280
300
320
340
360
380
400
420
var
heure0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
260
280
300
320
340
360
380
400
420
var
heure
23 mai (00h) au 10 juin (09h)
Outil Transformée de Fourier
Marée
O2
f CO2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
ampl
itude
période en heure
densité spectrale
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
ampl
itude
période en heure
densité spectrale
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
ampl
itude
période en heure
densité spectrale
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
ampl
itude
période en heure
densité spectrale
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
ampl
itude
période en heure
densité spectrale
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
ampl
itude
période en heure
densité spectrale
Utilisation des mesures de Utilisation des mesures de ppCOCO22 atmosphériques Mace Head 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
360
370
380
390
400
410
420
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
temps (heure)
xCO
2 (p
pm)
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 COEstimation du flux d’échange de CO22 entre océan et atmosphère entre océan et atmosphère
-35
-25
-15
-5
5
15
22/03/200300:00
01/05/200300:00
10/06/200300:00
20/07/200300:00
29/08/200300:00
08/10/200300:00
17/11/200300:00
27/12/200300:00
05/02/200400:00
16/03/200400:00
flux
inté
gré
(mm
olC
/m2/
h)
données réelles
extrapolations
F = k . α . ∆ p CO2 sea-air
Vitesse de transfert du CO2
Wanninkhof (1992)
Coefficient de solubilité
Weiss (1974)
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
Bilan annuel du flux d’échange de CO2 entre océan et atmosphère au niveau du site d’implantation de
MAREL-Iroise :
Estimation du flux d’échange de COEstimation du flux d’échange de CO22 entre océan et atmosphère 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 perspectivesConclusion 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)
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
Intérêt d’installer des systèmes autonomes tels que MAREL-Iroise ,caractérisés par acquisition série temporelle à haute fréquence, en environnement côtier
Mesures haute fréquence de Mesures haute fréquence de la la f f COCO22 de l’eau de mer de de l’eau de mer de surface en environnement surface en environnement
côtier par le système côtier par le système automatisé MAREL-Iroiseautomatisé MAREL-Iroise
Anne Julie CavagnaAnne Julie Cavagna
Impact de la chloration sur les mesures de Impact de la chloration sur les mesures de f f COCO22
pCO2 effet chloration et FFU
300
350
400
450
500
30/12/200300:00
09/01/200400:00
19/01/200400:00
29/01/200400:00
08/02/200400:00
18/02/200400:00
28/02/200400:00
09/03/200400:00
19/03/200400:00
29/03/200400:00
08/04/200400:00
18/04/200400:00
fCO
2 à
13°C
(µat
m)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
FFU
(µg/
L)
20 mA25 mA30 mA35 mAFFU
Pas de sursaturation significative du % O2 dissous
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
Le capteur de Le capteur de ff CO CO22 type CARIOCA type CARIOCA
• Technique de mesure du capteur CARIOCA
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
pc0
PE1
PE2
PE3
PE4
pc4
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14
temps en heures
pCO
2 (µ
atm
)
Peau de mer
p colorant
pCO2 colorant 4 = (1 - µ)(P4 + µP3 + µ2P2 + µ3P1) + µ4p0
µ = e -∆t/τ avec ∆t = 1 heure et τ = 30 min
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