Marine Chemistry, 11 (1982) 573--588 573 Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam -- Printed in The Netherlands

L A D I S T R I B U T I O N DE L ' A Z O T E M O L E C U L A I R E N2 D A N S L ' A T L A N T I Q U E E Q U A T O R I A L O R I E N T A L

CLAUDE OUDOT

Oc~anographe de I'ORSTOM, Centre de Recherches OcJanographiques, B.P. V18-A bidjan (CJte d 'Ivoire)

(Re~u janvier 1, 1982; accept~ juin 2, 1982)

ABSTRACT

Oudot, C., 1982. The distribution of molecular nitrogen N 2 in the eastern equatorial Atlantic. Mar. Chem., 11: 573--588.

The distribution of molecular nitrogen in the equatorial area of the eastern Atlantic is shown for a warm season (April) and a cold season (August) and interpreted in the light of the thermal field.

The measured nitrogen always exceeds the solubility. The maximum supersaturations of nitrogen are always located in the layer with vertical nitrogen gradient, at the top of the thermocline. The extreme supersaturations occur more often in the warm season than in the cold season. They express either an eddy mixing (boundaries of the Equatorial undercurrent), or the advective transport of a water mass (salinity maximum of the South Atlantic subtropical water).

RESUME

La distribution de l 'azote mol~culaire en zone ~quatoriale de l'Atlantique Est est pr4sent~e en saison chaude (avril) et en saison froide (ao~t) et interpr~t~e ~ la lumi~re du champ thermique.

L'azote mesur~ est toujours en exc~s sur la solubilit4. Les sursaturations maximales d'azote sont toujours rep~r~es dans la couche de gradient vertical d'azote, au sommet de la thermocline. Les sursaturations extremes paraissent ~tre plus nombreuses en saison cbaude qu'en saison froide. Elles traduisent soit un m~lange turbulent (fronti~res du Sons Courant Equatorial) soit le transport advectif d'une eau type (maximum de salinit~ de l'Eau Subtropicale de rAtlantique Sud). Mar. Chem., 11: 573--588.

INTRODUCTION

P e n d a n t l o n g t e m p s les conna i s sances sur la d i s t r i b u t i o n de l ' a z o t e mol6cu- laire N 2 p r6sen t dans l ' e au de m e r son t res ides p r a t i q u e m e n t nul les , malgr6 l ' i n t6 r~ t r e c o n n u d~s 1929 p a r Buch (dans Kes te r , 1975) qu ' f l y a u r a i t u t i l i se r l ' a z o t e c o m m e p rop r i6 t~ conserva t ive , p o u r e s t i m e r la t e m p 6 r a t u r e d ' u n e masse d ' e a u au m o m e n t o~ elle se t r o u v a i t en surface . R a k e s t r a w e t E m m e l (darts Kes te r , 1975) les p r e m i e r s o n t d6 t e rmin6 la d i s t r i b u t i o n de l ' a z o t e d issous e n t r e la sur face e t 4 5 0 0 m ~ 6 s t a t i ons dans l ' A t l a n t i q u e n o r d - o u e s t : ils o n t t rouv6 que les t eneu r s d ' a z o t e va r i a i en t en t r e - - 5 % e t + 8% p a r r a p p o r t ~ la so lubi l i t6 .

0304-4203/82/0000--0000/$02.75 © 1982 Elsevier Scientific Publishing Company

574

Mais on connait des processus biochimiques par lesquels l 'azote dissous peut ~tre converti en azote organique, puis en nitrate, ou inversement produi t par oxydat ion de la mati~re organique ou par d~nitrification dans des conditions anoxiques (Kester, 1975). Benson et Parker (1961) ont examin~ cette question en mesurant le rapport de N2 ~ Ar (argon) par spec- trom~trie de masse en diff~rents endroits de l 'Atlantique nord et sud: leurs observations les ont conduits ~ la conclusion que pour les eaux oc~aniques, N 2 peut dtre consid~r~ comme non r~actif ~ 1% pros environ. Par contre dans des rdgions r~put~es anoxiques (Fosse de Cariaco-Dramsfjord), Richards et Benson (1961) ont trouv~ des teneurs de N 2 syst~matiquement plus ~levdes (2,3--3,6%) relativement ~ Ar.

R~cemment le d~veloppement de la technique de chromatographie en phase gazeuse pour la d~termination des gaz dissous en solution aqueuse (Swinnerton et al., 1962) a ouvert la voie ~ des mesures extensives d 'azote dans l 'eau de mer (Swinnerton et Sullivan, 1962; Linnenbom et al., 1966; Craig et al., 1967). Ces mesures ont permis de confirmer les dcarts ~ la saturation d~couverts par Rakestraw et Emmel (dans Kester, 1965), en resserrant toutefois la gamme des variations (--0,3% ~ +4,1%). Craig et al. (1967) font d'ailleurs remarquer que la dispersion des anomalies de satu- ration de N2 a g~n~ralement diminu~ depuis que la precision analytique de la d~termination a ~te amdlior~e. Mais il n 'en reste pas moins que la variabilit~ des anomalies de saturation peut representer la multiplicit~ des processus physiques susceptibles de causer des ~carts ~ la solubilitY: f luctuation de la pression atmosph~rique, injection de bulles d'air, effets thermiques, m~langes de masse d'eau.

Le present article rapporte les r~sultats des mesures d 'azote dissous effectu~es au cours des campagnes successives du programme CIPREA (Circulation et Product ion ~ l 'Equateur dans l 'Atlantique). Ces mesures ont ~t~ entreprises comme un soutien ~ l '~tude de la distribution de l 'oxyg~ne et un moyen de retracer l 'histoire ant~rieure des masses d 'eau par le biais des anomalies de saturation.

METHODES

La collecte des ~chantillons destinbs aux d~terminations d 'azote dissous simultan~ment ~ celles des autres gaz dissous (oxyg~ne-gaz carbonique total) s'est ~tal~e entre aofit 1978 et janvier 1980 dans la pattie orientale de l 'Atlantique Equatorial (Programme CIPREA). Les ~chantillons sont soutir~s des bouteilles Niskin (1,7 l) de la bathysonde ~ rosette dans des flacons en verre (125 ml) identiques ~ ceux utilis~s pour le dosage d'oxyg~ne par la m~thode de Winkler. Les ~chantillons sont analys~s imm~diatement apr~s leur pr~l~vement.

La technique de dosage par chromatographie en phase gazeuse est la mdme que celle ~prouv~e pr~c~demment dans le Pacifique et pour laquelle la precision relative (2a) est +0,8% (Oudot et Wauthy, 1978). Au cours des derni~res campagnes (CIPREA 4 et 5) quelques mesures d'argon dissous ont

575

pu ~tre ajout~es en employant un moyen d~tourn~ pour s~parer l 'oxyg~ne de l'argon: l 'oxyg~ne ~lu~ en m~me temps que l'argon dans les conditions normales d'utilisation de l'appareillage est pr~alablement ~limin~ par addition d'une solution de sulfite fi l '~chantillon. Les solubilit~s d'azote (de m~me que celles d'oxyg~ne et d'argon) en vue d'estimer les anomalies de saturation sont calcul~es fi partir de l '~quation de Weiss (1970): elles sont donn~es par rapport fi l'air humide et pour une pression totale de 1 atmosphere.

DISTRIBUTION D'AZOTE EN ZONE EQUATORIALE

La distribution m~ridienne de l 'azote dissous entre 5°N et 10°S, le long de

5 ° N 0 ° 5 ° S IO°S S t . N o ~ O- 0

50-

I00" IO0

N 2 (ml I - I )

iON (~o 5oS iOoS O j I I I I , I I I i I | ~

IOO- ~ -IOO

15D k.J

CIPREA 2 ( C A P 7 9 0 6 ) I ' ~ I Avril 1979 L ,I

4ow

Fig. 1. Distribution m~ridienne d'azote mol~culaire et de temperature en saison chaude (avril) entre 5°N et 10°S, le long de 4°W (au sud d'Abidjan, C6te d'Ivoire).. Fig. 1. Meridian distribution of molecular nitrogen and temperature in the warm season (April) between 5°N and 10°S, along 4°W (south of Abidjan, Ivory Coast).

576

4°W, est pr~senthe, parall~lement ~ celle de la temperature en saison chaude (avril: CIPREA 2, Fig. 1) et en saison froide (aodt--septembre: CIPREA 1, Fig. 2).

La distribution d'azote entre 0 et 150 m est le reflet parfait du champ thermique m~ridien. En saison chaude la couche homog~ne de surface ne pr~sente que peu de variations m~ridiennes: la seule particularith inthressante

noter est la chemin~e de valeurs sup~rieures ~ 8,6 ml 1 -l ~ 0°30'S (Fig. 1). En subsurface l '~clatement de la thermocline ~ l 'Equateur sous la pression du Sous Courant Equatorial se retrouve de fapon ~vidente sous la forme du trac~ des isopl~thes d'azote dissous. C'est en avril d'ailleurs que l 'empreinte

5°N 0 ° 5 ° S IO°S S tNo l l 2 3 4 5 6178910111213141516~17 18 19 20 2 221

0 ; ! ~ ~_ J _ I j . l _ j j, 1 ! l L t . I • 8 8 / .~oJ/ • s . 4 . ~\~2 \ - o

2" ° • 2 : ; : " : . :

• -50

! i ./~... x .... .~-//."'.X • I..~ Jso N2(ml I -I )

5°N 0 ° 5 ° S IO°S

O _ ] , , , , , , , , ] , , , - o

~.0

'00"

,5o, T (°C)

ClPREA 1 (CAP7802) 4oW A o ~ t - Sep tembre 1978

Fig. 2. Distribution m~ridienne d'azote mol~culaire et de temperature en saison froide (aofit--septembre) entre 5°N et 10°S, le long de 4°W (au sud d'Abidjan, CSte d'Ivoire).

Fig. 2. Meridian distribution of molecular nitrogen and temperature in the cold season (August--September) between 5°N and 10°S, along 4°W (south of Abidjan, Ivory Coast).

577

du Sous Courant Equatorial est la mieux marquee sur la distribution des propri~t~s hydrologiques (Hisard et al., 1977). En aofit (Fig. 2), la bande ~quatoriale 0°--5°S sous l 'emprise d 'un upwelling actif, ne t tement refroidie (T < 22°C), a une teneur plus ~lev~e en azote que les eaux adjacentes nord et sud. Le gradient m~ridien d 'azote imm~diatement au nord de l 'Equateur est ~ l'image du front thermique, beaucoup mieux marqu~ que celui au sud. En subsurface la manifestation du Sous Courant Equatorial est plus difficile

cerner (isopl~thes 9,8--10,8 ml N21 - ] ).

COMPARAISON DE LA CONCENTRATION MESUREE D'AZOTE AVEC LA SOLU- BILITE

Nos mesures d 'azote dissous r~v~lent que la teneur en N2 est toujours en exc~s plus ou moins prononc~, sur la solubilit~ correspondant ~ la tempera- ture et ~ la salinit~ de l'~chantillon (pour une pression atmosph~rique nor- male et 100% d'humidit~ relative). Quelle que soit la saison (Fig. 3), le long d 'un profil vertical de 0 ~ 150 m, N2 est toujours sup~rieur ~ la solubilit~ N s . On d~finit une anomalie de saturation AN 2 (Kester, 1975) exprim~e en pourcentage

A I~{%) Nz(ml I-') * N~('/,) N2(n'~l -'I)

~ 9 r ' , \ St t l I i \

150 150 /, AN=(%) N ~ 1-I) AN.,z (%) N2(n'd 1-I)

; :

iL " ] !t

Fig. 3. Distr ibut ions verticales d ' azo te mesur~ (N2), d e s o l u b i l i t ~ d 'azo te (N2 s ) e t d ' anoma- lie de sa tura t ion d ' azo te (AN 2 ) e n u n poin t au sud de l 'Equa teur en avril, juin, novembre et janvier. Fig. 3. Vertical distributions of measured nitrogen (N2), nitrogen solubility (N s ) and nitrogen saturation anomaly (AN2) (definition in the text) at a station south to the Equator in April, June, November and January.

578

50N 0 = 50S IOoS

<3 <3

I

150

AN2 (%) Avril 1979 CIPREA 2

Fig. 4. Dis t r ibut ion m~ridienne de l 'anomal ie de saturat ion d'azote Z1N 2 en saison chaude, entre 5°N et 10°S le long de 4°W.

Fig. 4. Meridian d is t r ibut ion of ni trogen saturat ion anomaly z~V 2 in the warm season, between 4°N and 10°S =gong 4°W.

4 ° N 0 = 5 " IO°S

2 3 4 5 6 7 8 9 I0 II IZ 13 14 15 16 17 18 I~ aO a 22

0 . . . .

I

150 - - I , ~ )

AN2(%) Ao~t _ 5eptm'n~'e 1978 CIPREA 1

Fig. 5. Distribution meridienne de Vanomalie de saturation d'azote ~N 2 en saison froide, entre 4°N et 10°S le long de 4°W.

Fig. 5. Meridian distribution of nitrogen saturation anomaly ~tN2 in the cold season, between 4°N and 10°S along 4°W.

579

N2 - - g s ~ N 2 - × 1 0 0 ( 1 ) N~ N2 repr~sentant la concentrat ion mesur~e d 'azote et N s la solubilit~ expri- m~e pr~c~demment. L'anomalie de saturation est g~n~ralement comprise entre 2 et 4% sauf dans la couche de gradient vertical maximum d'azote o0 elle passe par une valeur maximale plus ou moins ~lev~e (Fig. 3).

L'~cart maximum ~ la saturation AN2, associ~ ~ la partie sup~rieure de la thermocline, se retrouve ~ toutes les latitudes entre 5°N et 10°S. En saison chaude (Fig. 4), l 'anomalie maximale d~passe 5% sans interruption de 5°N 10°S, et mdme 6% au nord pros de la cSte ivoirienne et au sud de 3°S--9°S. Les anomalies extrdmes au sud de l 'Equateur coincident avec l'avanc~e vers le nord du maximum de salinit~ de l 'Eau Subtropicale Sud Atlantique (Fig. 6) et au nord avec le rapprochement de la surface de la thermocline donc du gradient vertical d 'azote (Fig. 1). A l 'Equateur entre 50 et 100 m (Fig. 4), le minimum AN 2 < 4% coincide exactement avec le noyau de vitesse maximum du Sous Courant Equatorial rep~r~ par le maximum de salinith (Fig. 6). En saison froide (Fig. 5), les fortes anomalies de saturation (>5%) sont beau- coup plus limit~es dans l 'espace et n'apparaissent plus qu ' imm~diatement au nord et au sud de l 'Equateur et entre 7 et 8°S. I1 est ~ noter que les anomalies

5ON 0 o 5oS lOiS

o I I I . , / . , , , , I I i , , f

,oo

S (10 -~ ) CIPREA 2 (cAP 79os) 4°w

Avril 1979

Fig. 6. Distribution m~ridienne de la salinite en saison chaude entre 5°N et I0°S le long de 4°W.

Fig. 6. Meridian distribution of salinity in the warm season between 5°N and 10°S along

4°W.

58O

5°N 0 ° 5 ° ~)o g

350 36.0 / m

I00 -- - I00

150, ~ 150 S (10 -3)

CIPREA 1 (CAP 7802) 4 = W

Aout - Septembre 1978

Fig. 7. Distribution m~ridienne de la salinit~ en saison froide entre 5°N et 10°S le long de 4°W.

Fig. 7. Meridian distribution of salinity in the cold season between 5°N and 10°S along 4°W.

extrdmes (AN 2 ~ 6%) au sud (7--8°S) coincident avec une zone frontale de salinit~ trbs marquee (Fig. 7). Le minimum AN 2 ,~ 4% ~ l 'Equateur, associ~ pr~c~demment au Sous Courant Equatorial, appara~t en saison froide trbs r~duit ~ l'image du maximum de salinith ~quatorial.

La couche de surface au sud de l 'Equateur (0°--9°S), pr~sente une ano- malie de saturation plus ~lev~e en saison chaude (~3%) qu'en salson froide (~2%): c'est dans cette pattie de la zone ~quatoriale que l'~cart thermique hiver-~th est le plus grand (Figs. 1 et 2). D'une manibre g~n~rale, on peut dire que sur l 'ensemble de la zone consid~r~e les sursaturations extrdmes d'azote sont plus nombreuses en saison chaude qu'en saison froide.

INTERPRETATION DES ANOMALIES DE SATURATION D'AZOTE La gamme des anomalies de saturation d'azote comme ceUes des autres gaz

nobles (He--Ne--Ar--Kr) d'ailleurs, varie beaucoup parmi les auteurs qui ont mesur~ les gaz permanents dans l'oc~an. Ces variations t iennent d 'une part aux m~thodes diff~rentes d'analyse qui se sont affin~es avec l 'av~nement de la chromatographie en phase gazeuse et d'autxe part aux donn~es de solu- bilit~ d~finies diff~remment (atmosphere 's~che' ou 'humide') et qui sont utilis~es pour calculer le pourcentage de saturation (Rakestraw et Emmel,

581

1938 dans Kester, 1975; Douglas, 1965; Linnenbom et al., 1965; Weiss 1970). Kbnig et al. (1965), h partir de six ~chantillons de l'Oc~an Pacifique et cinq de l'Oc~an Indien ont trouv~, en se r~f~rant aux solubilit~s de Doug- las (1965), des valeurs moyennes AN 2 de 5,1 et 6,3% respectivement. Craig et al. (1967), dans l'Oc~an Pacifique sud ont observ~ un AN 2 moyen, bas~ ~galement sur les solubilit~s de Douglas, de 1,9%. Les anomalies de saturation AN 2 d~coulant de nos mesures d'azote sont toutes positives, ce qui peut apparaitre suspect et pourrait signifier soit une sous-estimation des valeurs de saturation soit une surestimation de nos r~sultats de mesures. Lots de l'~tablissement des ~quations exprimant les solubilit~s de 02, N2 et Ar, Weiss (1970) fait remarquer l 'extraordinaire concordance entre les donn~es de solubilit~ d'azote qu'il a utilis~es pour son trai tement et il semble difficile de mettre en cause ses valeurs de saturation. La validit~ de notre technique de dosage chromatographique a ~t~ verifi~e pour l 'oxyg~ne par comparaison avec la m~thode de Winkler (Oudot et Wauthy, 1978) e t n o s anomalies de saturation AN 2 ne sont gu~re plus ~lev~es que celles rapport~es par Kbnig et al. (1964) et Craig et al. (1967). Aussi compte tenu de l ' incertitude qui peut ent~cher les valeurs absolues des anomalies de saturation, il nous a sembl~ preferable en l '~tat actuel des connaissances de chercher ~ interpreter qualita- tivement les d~viations maximales par rapport h la solubilitY, que l 'on a mises en ~vidence relativement aux couches sus- et sous-jacentes.

Les ~tudes sur la distribution de l 'azote, et en particulier sur l'interpr~- tation des anomalies de saturation, sont rares (Benson et Parker, 1961), contrairement h celles sur les gaz nobles (He--Ne--Ar--Kr--Xe) (Bieri et al., 1966; Craig et Weiss, 1968). Consid~rant que dans notre zone d'investigation (ocean ouvert), l 'azote peut 6tre assimil~ ~ un gaz permanent, nous avons cherch~ h comparer les points particuliers de nos distributions d'azote ceux des gaz nobles. Des mesures d'argon ont ~t~ tent~es ~ cet effet au cours des derni~res campagnes CIPREA. Notre m~thode de mesure, bas~e sur un artifice analytique est d~licate d'emploi et sujette a des erreurs. Cependant fl est possible de d~gager de nos r~sultats certains profils coh~rents de Z~Ar, tels ceux obtenus h l 'Equateur lors des campagnes CIPREA 4 (Fig. 8) et CIPREA 5 (Fig. 9) et qui sont comparables ~ celui rapport~ dans le Pacifique Equatorial Oriental (Fig. 10) par Bieri et Koide (1972). Comme l'azote, l 'argon pr~sente un maximum de sursaturation au sommet de la thermocline: celui d 'argon appara}t ne t tement plus d~velopp~ que celui d'azote. Mais la difference de l 'exemple de Bieri et Koide (1972) le maximum de AAr (celui de AN 2 ~galement) n'est pas situ~ dans notre cas au niveau de salinit~ maximale mais au dessus dans la couche de gradient sup~rieur de salinitY.

Parmi les divers processus physiques qui peuvent entra~ner les gaz non r~actifs ~ se d~partir de leur solubilit~ (Kester, 1975) les plus frequents sont:

(a) Un ~quilibrage gazeux ~ une pression atmosph~rique diff~rente de la normale et /ou une humidit~ relative diff~rente de 100%.

(b) L'injection de bulles d'air et leur dissolution complete.

582

0~N2 {%} 50 5 ~Ar{%) I0 25 20T('C) 15 35D S (10 -3) 36,0 0 I I I I I I I I t I --0 m , m

+'~ Jr 1

+ ~ ~. 5 0 - ~ -'+ ~" -50

AN 2 / AAr T / S /

/ 1 /

/ .IOO IOO--~ // / Cipreo 4 /

Oct. 1979 \ \\\ St, 11 /

~ / \ \ O" - 4 " W /

15o ~+ 4- _Jso

Fig. 8. Distributions verticales des anomalies de saturation d'azote (~kN 2 ) de d'argon (~Ar), de temperature (T) et salinit~ (S), ~ l'Equateur (4°W) en octobre.

Fig. 8. Vertical distributions of saturation anomalies of nitrogen (~L~2) and argon (~LAr), of temperature (T) and salinity (S), at the Equator (4°W) in October.

~ . ~ ? ~,.~.)~ 30 ~p ~¢.? ~ ~,o ~(~-') ~,o ~,~ \

50- '~ "P" ~"~ "'% ... "+ - 5 0

AN2 \~ AAr ~ S /+ ?-

IO0- .p~" .4 --IO~ Cipreo 5 / ~ /

\ ~ . Jonvier 1980 +~ / / ~ St. 14 P

150- +

Fig. 9. Distributions verticales des anomalies de saturation d'azote (~L~V 2 ) de d'argon (~Ar), de temperature (T) et salinit~ (S), ~ l'Equateur en janvier.

Fig. 9. Vertical distributions of saturation anomalies of nitrogen (~h~¢2) and argon (~h4r), of temperature (T) and salinity (S), at the Equator (4°W) in January.

(c) Des variations thermiques sans r~tablissement complet de l'~quilibre gazeux.

(d) Le m~lange de masses d'eau fi des temperatures diff~rentes. Le premier processus affecte de la m~me fagon tous les gaz mais son effet

est limit~ surtout en zone ~quatoriale off la pression atmosph~rique reste toujours tr~s proche de la pression normale (fi + 0,4% pros). I1 n'en est pas de m~me pour les trois derniers. Ainsi la dissolution complete de bulles d'air apr~s leur immersion dans l'oc~an cr~e une anomalie de saturation plus

583

0 5&Ar(%} IO t525 2OT('C] 115 314,5 S i l o -= } 135,5 o i i I I i "-o m m

50- ~ ~ - 5 0 It AAr T I S

+

\ \

I00- +- - ~ ~ "~"- -I(30 _ -~.+ "-+ /

//

y _ _ t / Piqueiro ~ I

+,., , S.Z. 0 ~ / ~" 150-

O" - 111 e ~5 W \ .~ -150

Fig. 10. D i s t r i bu t i ons vert icales de l ' a n o m a l i e de sa tu ra t i on d 'a rgon ( ~ A r ) , de t e m p e r a t u r e

(T) et salinit~ (S), ~ l'Equateur, pendant l'exp~dition PIQUEIRO (Bieri et Koide, 1972).

Fig. 10. Vertical distributions of argon saturation anomaly (/~4r), temperature (T) and salinity (S), at the Equator, during PIQUEIRO Expedition (Bieri et Koide, 1972).

gaz lourds tels que Ar--Kr--Xe: l 'in]ection de I cm 3 d'air dans un litre d'eau de mer produit un ~cart AN 2 de 7,7% et un ~cart AAr de 3,5%. Par contre les effets thermiques et le m~lange de masses d 'eau de temperature diff~rente affectent davantage les gaz lourds que les gaz l~gers; la difference entre l 'azote et l 'argon reste faible cependant (un ~cart de 0,9% entre AAr et AN 2 pour une variation identique de temperature de 5°C) et ces effets ne se font surtout sentir que pour les gaz de solubilit~ tr~s diff~rente comme He--Ne et Kr--Xe.

Bieri et al. (1966) ont trouv~ dans le Pacifique des anomalies maximales de saturation AAr, en moyenne de 11,2%, juste en dessous de la couche de m~lange superficielle, entre 40 et 240 m. Arguant du fait que le m~lange entre la couche de surface ~ 22°C et la couche profonde fi 5°C peut crier une anomalie AAr de 9%, ces', auteurs interpr~tent les anomalies maximales qu'fls rencontrent en dessous de la couche homog~ne comme le r~sultat du m~lange turbulent vertical. Etendant par la suite leurs mesures fi l 'Atlantique nord et ~ l 'Antarctique, avec une meilleure d~finition des profils verticaux, Bieri et al. (1968) ont confirm~ les sursaturations maximales 'd'argon dans la thermocline. La colncidence des fortes sursaturations d'argon avec les gradients ~lev~s de temperature est interpr~t~e comme l'~vidence d 'un m~- lange (vertical ou horizontal). Mais plus tard Bieri et Koide (1972) rel~vent

plusieurs stations une association du maximum de AAr avec un maximum de salinit~ qui peut souligner re rSle de l 'advection horizontal. Les auteurs font remarquer que cette sursaturation extreme d'argon ~tant accompagn~e

584

de sursaturations ~quivalentes pour He, Ne et Kr, un seul des processus physiques ~nonc~s pr~c~demment ne saurait suffire pour expliquer ces sur- saturations. Les conditions optimales pour la formation d 'une masse d'eau de salinite ~lev~e sont r~unies dans les zones d'intense ~vaporation: des vents forts, secs et froids, soufflant sur une surface r~chauff~e ont pour effet d'accro~tre les ~changes gazeux tout en privil~giant les gaz les plus l~gers avec l ' injection de bulles d'air au moment otl les vagues se brisent. D'un autre c6t~ lorsque la masse d'eau de salinit~ ~lev~e (l'Eau Subtropicale par exemple) s 'enfonce dans la thermocline le m~lange avec une eau plus froide et moins salve accro~t la sursaturation des gaz lourds, plus solubles, tels que At. Cependant comme le soulignent tr~s justement Bieri et Koide (1972) une ~vaporation lente sur un intervalle de temps plus grand peut conduire au m~me r~sultat pour la salinitY, sans modification majeure de l'~tat de satu- ration des gaz dissous et un maximum de salinit~ ne correspond pas obliga- toirement ~ une anomalie extreme de saturation de gaz dissous.

Pour leur part Craig et Weiss (1971) attr ibuent les anomalies de saturation de gaz permanents aux trois premiers processus signal,s ant~rieurement plut6t qu'aux effets de m61ange. La comparaison des anomalies de saturation d'argon, n~on et hblium montre la presence d'injection d'air dans les eaux de surface Nord Atlantique, ~ raison de 0,5 ~ 1 ml d'air par litre d'eau de met. Auparavant Craig et al. (1967) analysant les r~sultats de Bieri et al. (1966), constatant sur la base des relations T--S et Ar--S que les anomalies AAr sont plut6t associ~es aux discontinuit~s de pente, rejetent l'id6e du m~lange verti- cal turbulent et avancent l 'hypoth~se du transport advectif horizontal. Par la suite Craig et Weiss (1968) ~tablissent clairement la liaison entre l 'anomalie maximale AAr et le maximum de salinitY.

8ur la base des considerations pr6c~dentes nous avons dress~ un diagramme AN2--AAr pour des observations ~ l 'Equateur, afin d'~tudier dans notre zone le r61e possible des deux premiers processus. Sur Fig. 11, il est visible que les anomalies AAr sont largement sup6rieures ~ AN 2 et que tr~s peu d'obser- vations satisfont ~ un effet de variation de la pression atmosph~rique (droite de pente = 1) ou un effet d'injection d'air (droite de pente = 1/2). D'apr~s Figs. 8 et 9, les anomalies maximales de N 2 et Ar ~ l 'Equateur se situent dans la partie sup~rieure de la thermocline au dessus du maximum de salinit~ du Sous Courant Equatorial et plaident donc en faveur de l 'hypoth~se du m~lange vertical qui d'ailleurs accrolt la saturation des gaz lourds comme l'argon. A la limite sup~rieure du Sous Courant Equatorial por t an t / t l'est, le m~lange vertical est tr~s intense avec le Courant Equatorial de surface dirig~ vers l 'ouest et il peut expliquer l 'augmentation des teneurs en azote (N~ ~ 8,6 ml 1-' ) dans la couche de surface en saison chaude (Fig. 1) et la disparition du maximum subsuperficiel d'oxyg~ne ~ cette latitude (Oudot, 1982).

Par contre au sud de l 'Equateur, les fortes anomalies de saturation AN 2 sup~rieurs ~ 6% (Fig. 4) co'incident ~ chaque station avec le maximum de salinit~ (Fig. 12). Ces anomalies maximales peuvent donc representer une

585

15. Cipreo 5

/~-At L~ Jonvier 1980 (%} 0 ° - 4 ° W

+ • s t .~ + S t . 2

A Ast3

I0 •

+

+ . ~ d / / + A ,~! z~

5- ,. ++ / ~ / /

z z

o o g A ~ (%) ~b

Fig. 11. Diagramme des anomalies de saturation ~kN 2 et ~Ar. Les droites en trait plein et en tirets indiquent respectivement l 'effect de variation de la pression atmosph~rique et l 'effet d'injection de bulles d'air sur les anomalies de saturation d 'azote et d'argon.

Fig. 11. Diagram of saturation anomalies ~t]V 2 and LkAr. The solid and dashed lines show the effect of atmospheric pressure variations and the effect of air bubbles injection on the saturation anomalies of nitrogen and argon respectively.

S (10 - 3 )

34,o 35,0 ,~,o 3~o ~ , o 3~o 35,0 35,0

:k ÷

I f TII $ t l 3 i i St. 16

15o o/x~(%)+ + i? + 5 +5 +5 +5 +5

Fig. 12. Comparaison des distributions verticales de l 'anomalie de saturation d 'azote ( + )

et de la salinite (") au sud de l 'Equateur en saison chaude.

Fig. 12. Comparison of the vertical distributions of nitrogen saturation anomaly (+) and salinity (.), south of the Equator in the warm season.

propri~t~ caract~ristique de l 'Eau Subtropicale, acquise au momen t de sa format ion en surface. Les masses d 'eaux sal~es telles que l 'Eau Subtropicale de l 'Atlantique Sud sont form~es dans les zones anticycloniques ot~ la

586

soufflant sur ces r~gions peuvent acc~l~rer les ~changes gazeux et forcer des bulles d'air ~ entrer en solution ce qui a pour effet d'accro]tre la saturation des gaz l~gers comme l'azote. En revanche, l'absence de fortes anomalies de saturation de N 2 au dessus du maximum de salinitY, contrairement ~ la situation d~crite pr~c~demment ~ l 'Equateur (Figs. 8 et 9) pourrait signifier la faiblesse du m~lange vertical entre l 'eau du maximum de salinit~ et la couche homog~ne clans cette r~gion, en saison chaude.

La frontibre entre deux courants de sens opposes est une zone pr~f~ren- tielle de m~lange entre masses d 'eau de propri~t~s souvent tr~s diff~rentes. Les anomalies maximales de saturation d 'azote (Fig. 4: AN 2 > 5% et Fig. 5: AN 2 > 6 % ) aux limites nord et sud du Sous Courant Equatorial pourraient t~moigner de l ' importance des m~langes turbulents mbridiens aux frontibres du Sous-Courant. Il est ~ noter que les anomalies sont plus ~lev~es en aofit (>6%) /~ une ~poque ot~ le Sous Courant a beaucoup perdu de son indi- vidualit~ par suite du m~lange plus intense avec les eaux environnantes (Hisard et al., 1977). Des anomalies ~lev~es (>6%) sont ~galement relev~es/~ 4--5°N (Fig. 4), ~ la fronti~re entre le Courant de Guinbe portant ~ l'est et le Sous Courant Ivoirien coulant ~ l 'ouest et qui fait surface le long de la c6te (Fig. 13). A cet endroit un autre processus peut intervenir: lorsqu'une masse pression atmosph~rique est sup~rieure ~ la normale. De plus les vents aliz~s

5 = N 0 ° 5 = 3

. t o . \ 2 : , , , - 0 . . . . . . . . . ' ,

8 1 1 ' ' • " ' +20 "". ~ I (3 +l ..~) / ' ~ j ",

- - o - , . . . ' / / }f/, kl ~ I " -50 , /I I t+2'/lti~l I ! , I + s o

'i! ", " ,'" o ~ J i

E i I00- r," +K :I ii -I00 p.

~ ,: ] :1 I: ~)

~L t~ +10 i )

150- -150

Composonte E ( + ) et W( - - ) de couront (cm/s )

C l P R E A 2 (CAP 7906) 4=W

Avril 1979

Fig. 13. Distribution m~ridienne des composantes zonales de courant en saison ehaude, entre 5°N et 5°S le long de 4°W.

Fig. 13. Meridian distribution of zonal current components in the warm season, between 5°N and 5°S along 4°W.

587

d'eau remont~e en surface (sous l 'effet de l'upwelling c6tier par exemple, in- duit par le Courant de Guin~e) replonge apr~s s'~tre partiellement r~chauff~e sous les eaux plus chaudes du large, bien souvent elle n'a pas eu le temps de r~tablir l'~quilibre thermodynamique des gaz dissous avec l 'atmosph~re et elle acquiert donc une anomalie de saturation plus ~lev~e.

L'association de la plage de plus faibles anomalies AN 2 inf~rieures fi 4% (Fig. 4) avec le maximum de vitesse du Sous Courant Equatorial (Fig. 13), dont la mesure a eu lieu simultan~ment fi celle d'azote, illustre une nouvelle fois l'int~r~t des anomalies de saturation de gaz permanents comme propri~t~ conservative du noyau des couches advectives pr~serv~ du m~lange environ- nant. Cependant cette association soul~ve une difficult~ car le Sous Courant Equatorial v~hicule un maximum de salinitY, de m~me importance que celui present au sud de l 'Equateur (Fig. 6) et marqu~ par des fortes anomalies de saturation (Fig. 12: AN 2 maximum ~ 6%). I1 est admis jusqu'fi present que ces deux maximums de salinit~ proviennent d 'une m~me r6gion: le tourbillon anticyclonique sud, zone d'intense ~vaporation. M~me si les faibles anomalies du Sous Courant ne sont pas incompatibles avec sa salinit~ maximale (Bieri et Koide, 1972), il n 'en reste pas moins que la difference de saturation des deux maximums de salinit~ pose le probl~me de l 'alimentation du Sous Courant Equatorial Atlantique.

CONCLUSIONS

La distribution de l 'azote mol~culaire, gaz permanent dans les zones ou- vertes de l'oc~an, est un tr~s bon indicateur de l'upwelling ~quatorial, et d 'une mani~re g~n~rale refl~te parfai tement les modifications spatio-temporelles du champ thermique.

L'azote mesur~ est toujours en exc~s sur la concentration normalement at tendue d 'un ~quilibre avec l 'atmosph~re (solubilitY). Cet exc~s augmente dans la couche de surface avec le r~chauffement saisonnier qui se manifeste e n zone ~quatoriale de l 'Atlantique Est entre aodt et avril. D'une mani~re g~n~rale, sur l 'ensemble de la zone les fortes anomalies de saturation d 'azote sont plus r~pandues en saison chaude qu'en saison froide. Les anomalies maximales d 'azote, confirm~es par des anomalies encore plus ~lev~es d'argon, sont relev~es dans la partie sup~rieure de la thermocline. Ces anomalies extremes traduisent soit un m~lange turbulent, comme c'est le cas en particu- lier aux fronti~res supbrieure et lat~rales du Sous Courant Equatorial, soit l 'advection d 'une eau type qui a acquis cette particularit~ de saturation au moment de sa formation ~ la surface de la met (maximum de salinit~ de l 'Eau Subtropicale de l 'Atlantique Sud). Au coeur du Sous Courant Equatorial l 'anomalie de saturation d 'azote est moindre, ce qui soul~ve le probl~me de l 'alimentation de ce courant.

BIBLIOGRAPHIE

Benson, B.B. et Parker, P.D.M., 1961. Nitrogen/argon and nitrogen isotopic ratios in aerobic seawater. Deep Sea Res., 7: 237--253.

588

Bieri, R.H., Koide, M. et Goldberg, E.D., 1966. The noble gas contents of Pacific sea- waters. J. Geophys. Res., 71: 5243--5265.

Bieri, R.H., Koide, M. et Goldberg, E.D., 1968. Noble gas contents of marine waters. Earth Planet. Sci. Lett. , 4: 329--340.

Bieri, R.H. et Koide, M., 1972. Dissolved noble gases in the East Equatorial and South- East Pacific. J. Geophys. Res., 77: 1667--1676.

Craig, H., Weiss, R.F. et Clarke, W.B., 1967. Dissolved gases in the Equatorial and South Pacific Ocean. J. Geophys. Res., 72: 6165--6181.

Craig, H. et Weiss, R.F., 1968. Argon concentrations in the ocean: a discussion. Earth Planet. Sci. Lett. , 5: 175--183.

Craig, H. et Weiss, R.F., 1971. Dissolved gas saturation anomalies and excess helium in the ocean. Earth Planet. Sci. Lett . , 10: 289--296.

Douglas, E., 1965. Solubilities of argon and nitrogen in seawater. J. Phys. Chem., 69: 2608--2610.

Hisard, P., Citeau, J. et Voituriez, B., 1977. Equatorial undercurrent influences on enrich- ment processes of upper waters in the Atlantic Ocean. GATE Workshop, Miami, March 1977.

Kester, D.R., 1975. Dissolved gases other than CO2. In: J,P. Riley and G. Skirrow (Edi- tors), Chemical Oceanography. Academic Press, London, pp. 497--556.

K6nig, H., Wanke, H., Bien, G.S., Rakestraw, N.W. et Suess, H.E., 1964. Helium, neon and argon in the oceans. Deep Sea Res., 11: 243--247.

Linnenbom, V.J., Swinnerton, J.W. et Cheek, C.H., 1965. Evaluation of gas chroma- tography for the determinat ion of dissolved gases in seawater. In: Oceanogr. Sci. Eng., Trans. Joint Conf. Marine Tech. Soc., Am. Soc. Oceanogr., pp. 1009--1032.

Linnenbom, V.J., Swinnerton, J.W. et Cheek, C.H., 1966. Statistical evaluation of gas chromatography for the determination of dissolved gases in seawater. Report 6344, U.S. Naval Res. Lab., Washington, DC, 16 pp.

Oudot, C., 1982. Echange physique d'oxyg~ne et product ion primaire dans la couche homog~ne de la zone ~quatoriale de l 'Atlant ique Est. Soumis ~ Oceanogr. Trop,

Oudot, C. et Wauthy, B., 1978. Adaptat ion d 'un chromatographe en phase gazeuse pour le dosage en mer des gaz dissous: azote, oxyg~ne et gaz carbonique total. Cah. ORSTOM, Ser. Oc~anogr., 16: 89--102.

Richards, F.A. et Benson, B.B., 1961. Nitrogen/argon and nitrogen isotope ratios in two anaerobic environments, the Cariaco Trench in the Carribean Sea and Dramsfjord, Norway. Deep Sea Res., 7: 254--264.

Swinnerton, J.W. et Sullivan, J.P., 1962. Shipboard determination of dissolved gases in seawater by gas chromatography. Report 5806, U.S. Naval Res. Lab., Washington, DC, 13 pp.

Swinnerton, J.W., Linnenbom, V.J. et Cheek, C.H., 1962. Determination of dissolved gases in aqueous solutions by gas chromatography. Anal. Chem., 34: 483--485.

Weiss, R.F., 1970. The solubil i ty of nitrogen, oxygen and argon in water and seawater. Deep Sea Res., 17: 721--735.