Trace metals distributions in the Southern Ocean: Kerguelen Plateau process study

Fabien Quéroué

Résumé

The atmospheric concentration of carbon dioxide (CO2) is of a great interest for scientists since the largest contribution to Earth total radiative forcing is caused by the increase in the atmospheric concentration of CO2 since 1750 (IPCC 2013). Indeed, from 1750 to 2011, anthropogenic CO2 emissions have released 555 gigatons of carbon (GtC) that accumulated within different ecosystems and mainly in the atmosphere (240 GtC), 160 GtC have accumulated in natural terrestrial ecosystems and 155 GtC have been taken up by the ocean (IPCC 2013). Two processes lead to the transfer of CO2 from the atmosphere to the ocean: the physical and the biological carbon pumps (Fig. I.1).First, the physical carbon pump is initialized by the surface ocean, which constantly exchanges gases and heat with the low atmosphere. The solubility of CO2 in seawater increases when temperatures decrease. Thus, in the high latitudes, low temperatures, strong winds, and waves favour the transfer of CO2 into the ocean. Then, CO2 is exported beneath the ocean surface via the sinking of the cold CO2-rich waters. This physical removal of CO2 is also called the “solubility pump”. When these cold waters return to the surface ocean and warm up again, they release CO2 to the atmosphere. Secondly, the organic biological carbon pump is initialized in the surface ocean by phytoplankton, which assimilates carbon (C) via photosynthesis, converting CO2 and water in organic matter and oxygen. This process removes aqueous CO2 from the euphotic layer, where light penetrates sea surface, and leads to the storage of around 20% of the surface C inventory in the ocean interior (Laws et al., 2000; Falkowski, 2002). In addition, C can also be fixed by corals, foraminifera, coccolithophore or mollusk and crustacean as calcium carbonate to form protective coating or shells, however, this process is counter balanced by the production of carbonic acid, which increase the concentration of CO2 in seawater initiating a diffusive flux of CO2 from the ocean to the atmosphere, the so called carbonate counter pump. These are the reasons why the biological pump of C is a key regulator of the global C cycle. In its absence, atmospheric CO2 concentration would increase by approximately 50 % (200 ppmv), a considerable fraction compared to the present ~ 400 ppmv(Falkowski, 2002).

La concentration atmosphérique de dioxyde de carbone (CO2) est d'un grand intérêt pour les scientifiques puisque la plus grande contribution au forçage radiatif total de la Terre est due à l'augmentation de la concentration atmosphérique de CO2 depuis 1750 (GIEC 2013). En effet, de 1750 à 2011, les émissions anthropiques de CO2 ont libéré 555 gigatonnes de carbone (GtC) qui se sont accumulées au sein de différents écosystèmes et principalement dans l'atmosphère (240 GtC), 160 GtC se sont accumulées dans les écosystèmes terrestres naturels et 155 GtC ont été absorbées par l'océan (GIEC 2013). Deux processus conduisent au transfert de CO2 de l'atmosphère vers l'océan : la pompe à carbone physique et la pompe à carbone biologique (Fig. I.1) : la première est initialisée par l'océan de surface, qui échange constamment des gaz et de la chaleur avec la basse atmosphère. La solubilité du CO2 dans l'eau de mer augmente lorsque la température diminue. Ainsi, aux hautes latitudes, les basses températures, les vents forts et les vagues favorisent le transfert du CO2 dans l'océan. Ensuite, le CO2 est exporté sous la surface de l'océan par le biais de l'enfoncement des eaux froides riches en CO2. Cette élimination physique du CO2 est également appelée "pompe de solubilité". Lorsque ces eaux froides reviennent à la surface de l'océan et se réchauffent à nouveau, elles libèrent du CO2 dans l'atmosphère. Ensuite, la pompe de carbone biologique organique est initialisée dans l'océan de surface par le phytoplancton, qui assimile le carbone (C) par photosynthèse, convertissant le CO2 et l'eau en matière organique et en oxygène. Ce processus élimine le CO2 aqueux de la couche euphotique, où la lumière pénètre à la surface de la mer, et conduit au stockage d'environ 20 % de l'inventaire de C de surface à l'intérieur de l'océan (Laws et al., 2000 ; Falkowski, 2002). En outre, le C peut également être fixé par les coraux, les foraminifères, les coccolithophores ou les mollusques et crustacés sous forme de carbonate de calcium pour former une couche protectrice ou des coquilles. Cependant, ce processus est contrebalancé par la production d'acide carbonique, qui augmente la concentration de CO2 dans l'eau de mer en initiant un flux diffusif de CO2 de l'océan vers l'atmosphère, appelé contre-pompe à carbonate. Ce sont les raisons pour lesquelles la pompe biologique de C est un régulateur clé du cycle global du C. En son absence, la concentration atmosphérique de CO2 augmenterait d'environ 50 % (200 ppmv), une fraction considérable par rapport aux 400 ppmv actuels (Falkowski, 2002).