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

10

12

14

16

18

20

juil0

0

sep

t00

no

v00

jan

v01

ma

rs0

1

ma

i01

juil0

1

sep

t01

no

v01

jan

v02

ma

rs0

2

ma

i02

juil0

2

sep

t02

no

v02

jan

v03

ma

rs0

3

ma

i03

juil0

3

sep

t03

no

v03

jan

v04

ma

rs0

4

ma

i04

juil0

4

Te

mp

era

ture

(°C

)

8

10

12

14

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

ma

rs0

1

ma

i01

juil0

1

sep

t01

no

v01

jan

v02

ma

rs0

2

ma

i02

juil0

2

sep

t02

no

v02

jan

v03

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

8

µg

/l

0

2

4

6

8

10

12

juil0

0

sep

t00

no

v00

jan

v01

ma

rs0

1

ma

i01

juil0

1

sep

t01

no

v01

jan

v02

ma

rs0

2

ma

i02

juil0

2

sep

t02

no

v02

jan

v03

ma

rs0

3

ma

i03

juil0

3

sep

t03

no

v03

jan

v04

ma

rs0

4

ma

i04

juil0

4

Ch

loro

ph

ylle

a (

µg

/l)

0

2

4

6

8

10

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

100

102

104

106

108

110

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