Physical and biogeochemical processes regulating the dynamics of surface CO2 in a large and deep hardwater lake

Thèse en sciences de l’environnement, soutenue le 8 septembre 2022 par Pascal Perolo, rattaché à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.

Si les eaux intérieures ont été reconnues comme d’importants émetteurs de CO₂ et réacteurs du cycle global du carbone, la lumière a été essentiellement faite sur les zones humides, le pergélisol et les lacs humiques, sous le paradigme selon lequel la sursaturation des lacs en CO₂ découle de processus métaboliques. Dans ce tableau, les grands lacs profonds, avec des duretés de l’eau élevées, tels que le lac Léman, ont été largement négligés, considérés comme neutres vis à vis de l’atmosphère. Cependant, ces conceptions reposent sur des données mal résolues dans le temps et dans l’espace, ce qui conduit à une compréhension déficiente de la dynamique du CO₂ de surface à petite échelle dans les grands lacs d’eau dure profonds et à des incertitudes majeures sur leurs émissions annuelles de CO₂ estimées à l’échelle du lac. En utilisant le lac Léman comme site modèle, les principaux objectifs de cette thèse de doctorat sont

1. d’obtenir une compréhension à haute résolution de la dynamique et des flux de CO₂ de surface au lac,
2. de dénouer les liens physiques et processus biogéochimiques contrôlant les flux de CO₂ à l’interface lac-atmosphère,
3. de dériver des directives méthodologiques sur la fréquence à laquelle les différentes composantes des flux de CO₂ doivent être surveillées pour obtenir des estimations représentatives des flux annuels de CO₂.

Les flux de CO₂ à la surface des lacs opèrent par un transport diffusif net, obéissant à la première loi de Fick, souvent exprimée comme F = k(C_w – C_sat), où F est le flux de gaz CO₂, k est la vitesse de transfert du gaz, C_w est la concentration de CO₂ à la surface de l’eau, et C_sat est la concentration de CO₂ à saturation avec l’atmosphère. La ligne directrice de ce travail est la décomposition des termes de l’équation Fickienne pour quantifier le rôle des processus physiques et biogéochimiques sur leur dynamique. Dans cet objectif, la variation temporelle du CO₂ de surface du lac et la vitesse d’échange de gaz a été mesurée à une résolution horaire tandis que leur composante spatiale a été abordée en comparant les environnements pélagiques et littoraux. Ces travaux ont bénéficié de l’initiative continue des stations off-shore et in-shore de surveillance haute fréquence : la plateforme LéXPLORE (profondeur 110 m) et le mât de Buchillon (profondeur 4 m), représentatifs des deux milieux.

La première étude est dédiée aux processus impliqués dans la vitesse de transfert du gaz (k). Les mesures directes et continues de k sont techniquement difficiles, de sorte que les valeurs de k introduites dans les estimations annuelles des flux de CO₂ pour les lacs sont modélisées plutôt que quantifiées sur le terrain. Jusqu’à présent, les modèles k dans les lacs ont tenu compte de l’effet du cisaillement du vent (toutes tailles de lacs) et de la convection (petits lacs). Contrairement aux études océanographiques, l’effet des vagues de surface, bien qu’occasionnellement présent dans les grands lacs lorsque le fetch du vent (distance de bord à bord d’un lac ou distance d’un bord à un point donnée sur le lac) est suffisamment long, n’est généralement pas inclus dans les modèles de k pour les lacs. Ici, nous démontrons que la prise en compte des vagues de surface générées lors d’événements venteux (> 5 m s– 1) améliore considérablement la précision des estimations de k dans les grands lacs (fetch > 15 km). L’application sur une période de 1 an du nouveau modèle k amélioré montre que des événements extrêmes épisodiques avec des vagues de surface peuvent générer plus de 20% du k cumulé annuel et plus de 25% des flux nets annuels de CO₂ dans le lac Léman. De plus, l’intégration de la variabilité spatiale du k est proposée à l’aide d’un modèle météorologique spatial.

Étant donné que tous les termes de l’équation de flux sont difficiles à mesurer ou à paramétrer à une résolution fine à l’échelle temporelle et spatiale sur des périodes annuelles, peu d’études peuvent relier simultanément les variabilités du flux de CO₂, du CO₂ de l’eau et de k. L’objectif de cette deuxième étude est d’évaluer la fréquence minimale d’échantillonnage des données d’entrée, nécessaire aux estimations représentatives des flux annuels de CO₂ à la surface d’un grand lac. Ici, nous montrons que des estimations représentatives des flux de CO₂ nécessitent des k modèles à haute fréquence (horaire), tout au long de l’année, pour capturer des événements de turbulence intense mais de courte durée. Des mesures quotidiennes et hebdomadaires du CO₂ de l’eau sont nécessaires pendant les périodes de transitions (printemps et automne), tandis que la fréquence d’échantillonnage du CO₂ peut être relâchée pendant les périodes de stabilité comme l’été. En outre, nous montrons que les flux de CO₂ littoraux, qui sont supérieurs d’un ordre de grandeur aux flux pélagiques, contribuent de manière significative aux émissions totales du lac même lorsque le littoral ne représente qu’une très petite part de la surface totale du lac. Enfin, nous proposons des solutions pour améliorer ces quantifications des échanges de gaz de CO₂ en utilisant des outils numériques actuels tels que les modèles météorologiques spatiaux, les modèles hydrodynamiques et la reconstruction de données.

La dernière étude est consacrée à l’interaction entre l’alcalinité et les processus biologiques, en relation avec les dynamiques de CO₂ de surface. Dans les systèmes d’eau douce alcalins tels que le lac Léman, l’apparente absence de limitation du carbone à la production primaire brute (GPP) à de faibles concentrations de CO₂ suggère que les bicarbonates peuvent soutenir la GPP. Cependant, la contribution des bicarbonates à la GPP n’a jamais été quantifiée dans les lacs au fil des saisons. Nous pouvons démontrer pour la première fois que le CO₂ disponible à la surface du lac n’est pas suffisant pour maintenir la GPP pendant les deux tiers de l’année dans le lac Léman. Pour soutenir le taux élevé de production d’O2, les producteurs primaires aquatiques pompent les bicarbonates de l’alcalinité pour soutenir la GPP. Le rôle négligé de l’alcalinité dans le cycle du carbone de l’eau douce est mis en évidence tout au long d’un cycle annuel. De plus, nous montrons que la fixation des bicarbonates par les producteurs primaires, loin d’être anecdotique, peut être le modèle dominant pour les lacs d’eau dure.

Finalement, l’ensemble des résultats de ces trois études, couplé à la littérature existante, permet de proposer un cycle conceptuel du carbone pour les grands lacs alcalins profonds. Il met en évidence l’interaction complexe des processus physiques et biogéochimiques responsables des émissions de CO₂ sur un cycle annuel et démontre que le lac peut être considéré comme un transformateur de carbone actif. Pour conclure, les limites et les perspectives de cette recherche sont discutées en mettant l’accent sur les estimations futures des flux de CO₂ des lacs intégrés dans le temps et dans l’espace à l’aide de nouveaux outils numériques tels que le couplage de modèles physiques et biogéochimiques, et le Deep Learning.