{"id":8515,"date":"2022-08-23T17:26:28","date_gmt":"2022-08-23T15:26:28","guid":{"rendered":"https:\/\/wp.unil.ch\/geoblog\/?p=8515"},"modified":"2022-08-24T09:33:39","modified_gmt":"2022-08-24T07:33:39","slug":"physical-and-biogeochemical-processes-regulating-the-dynamics-of-surface-co2-in-a-large-and-deep-hardwater-lake","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/wp.unil.ch\/geoblog\/2022\/08\/physical-and-biogeochemical-processes-regulating-the-dynamics-of-surface-co2-in-a-large-and-deep-hardwater-lake\/","title":{"rendered":"Physical and biogeochemical processes regulating the dynamics of surface CO2\u00a0in a large and deep hardwater lake"},"content":{"rendered":"\n

Th\u00e8se en sciences de l’environnement, soutenue le 8 septembre 2022 par <\/em>Pascal Perolo, rattach\u00e9 \u00e0 l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.<\/em><\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/a><\/figure>\n\n\n\n

Si les eaux int\u00e9rieures ont \u00e9t\u00e9 reconnues comme d’importants \u00e9metteurs de CO2<\/sub> et r\u00e9acteurs du cycle global du carbone, la lumi\u00e8re a \u00e9t\u00e9 essentiellement faite sur les zones humides, le perg\u00e9lisol et les lacs humiques, sous le paradigme selon lequel la sursaturation des lacs en CO2<\/sub> d\u00e9coule de processus m\u00e9taboliques. Dans ce tableau, les grands lacs profonds, avec des duret\u00e9s de l\u2019eau \u00e9lev\u00e9es, tels que le lac L\u00e9man, ont \u00e9t\u00e9 largement n\u00e9glig\u00e9s, consid\u00e9r\u00e9s comme neutres vis \u00e0 vis de l’atmosph\u00e8re. Cependant, ces conceptions reposent sur des donn\u00e9es mal r\u00e9solues dans le temps et dans l’espace, ce qui conduit \u00e0 une compr\u00e9hension d\u00e9ficiente de la dynamique du CO2<\/sub> de surface \u00e0 petite \u00e9chelle dans les grands lacs d’eau dure profonds et \u00e0 des incertitudes majeures sur leurs \u00e9missions annuelles de CO2<\/sub> estim\u00e9es \u00e0 l’\u00e9chelle du lac. En utilisant le lac L\u00e9man comme site mod\u00e8le, les principaux objectifs de cette th\u00e8se de doctorat sont<\/p>\n\n\n\n

  1. d’obtenir une compr\u00e9hension \u00e0 haute r\u00e9solution de la dynamique et des flux de CO2<\/sub> de surface au lac, <\/li>
  2. de d\u00e9nouer les liens physiques et processus biog\u00e9ochimiques contr\u00f4lant les flux de CO2<\/sub> \u00e0 l’interface lac-atmosph\u00e8re,<\/li>
  3. de d\u00e9river des directives m\u00e9thodologiques sur la fr\u00e9quence \u00e0 laquelle les diff\u00e9rentes composantes des flux de CO2<\/sub> doivent \u00eatre surveill\u00e9es pour obtenir des estimations repr\u00e9sentatives des flux annuels de CO2<\/sub>.<\/li><\/ol>\n\n\n\n

    Les flux de CO2<\/sub> \u00e0 la surface des lacs op\u00e8rent par un transport diffusif net, ob\u00e9issant \u00e0 la premi\u00e8re loi de Fick, souvent exprim\u00e9e comme F = k(Cw<\/sub> – Csat<\/sub>)<\/em>, o\u00f9 F est le flux de gaz CO2<\/sub>, k est la vitesse de transfert du gaz, Cw<\/sub><\/em> est la concentration de CO2<\/sub> \u00e0 la surface de l’eau, et Csat<\/sub><\/em> est la concentration de CO2<\/sub> \u00e0 saturation avec l’atmosph\u00e8re. La ligne directrice de ce travail est la d\u00e9composition des termes de l’\u00e9quation Fickienne pour quantifier le r\u00f4le des processus physiques et biog\u00e9ochimiques sur leur dynamique. Dans cet objectif, la variation temporelle du CO2<\/sub> de surface du lac et la vitesse d\u2019\u00e9change de gaz a \u00e9t\u00e9 mesur\u00e9e \u00e0 une r\u00e9solution horaire tandis que leur composante spatiale a \u00e9t\u00e9 abord\u00e9e en comparant les environnements p\u00e9lagiques et littoraux. Ces travaux ont b\u00e9n\u00e9fici\u00e9 de l’initiative continue des stations off-shore et in-shore de surveillance haute fr\u00e9quence : la plateforme L\u00e9XPLORE (profondeur 110 m) et le m\u00e2t de Buchillon (profondeur 4 m), repr\u00e9sentatifs des deux milieux.<\/p>\n\n\n\n

    La premi\u00e8re \u00e9tude<\/strong> est d\u00e9di\u00e9e aux processus impliqu\u00e9s 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<\/sub>\u00a0pour les lacs sont mod\u00e9lis\u00e9es plut\u00f4t que quantifi\u00e9es sur le terrain. Jusqu’\u00e0 pr\u00e9sent, les mod\u00e8les 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 \u00e9tudes oc\u00e9anographiques, l’effet des vagues de surface, bien qu\u2019occasionnellement pr\u00e9sent dans les grands lacs lorsque le fetch du vent (distance de bord \u00e0 bord d\u2019un lac ou distance d\u2019un bord \u00e0 un point donn\u00e9e sur le lac) est suffisamment long, n’est g\u00e9n\u00e9ralement pas inclus dans les mod\u00e8les de k pour les lacs. Ici, nous d\u00e9montrons que la prise en compte des vagues de surface g\u00e9n\u00e9r\u00e9es lors d’\u00e9v\u00e9nements venteux (> 5 m s\u2013 1) am\u00e9liore consid\u00e9rablement la pr\u00e9cision des estimations de k dans les grands lacs (fetch > 15 km). L\u2019application sur une p\u00e9riode de 1 an du nouveau mod\u00e8le k am\u00e9lior\u00e9 montre que des \u00e9v\u00e9nements extr\u00eames \u00e9pisodiques avec des vagues de surface peuvent g\u00e9n\u00e9rer plus de 20% du k cumul\u00e9 annuel et plus de 25% des flux nets annuels de CO2<\/sub>\u00a0dans le lac L\u00e9man. De plus, l’int\u00e9gration de la variabilit\u00e9 spatiale du k est propos\u00e9e \u00e0 l’aide d’un mod\u00e8le m\u00e9t\u00e9orologique spatial.<\/p>\n\n\n\n

    \u00c9tant donn\u00e9 que tous les termes de l’\u00e9quation de flux sont difficiles \u00e0 mesurer ou \u00e0 param\u00e9trer \u00e0 une r\u00e9solution fine \u00e0 l’\u00e9chelle temporelle et spatiale sur des p\u00e9riodes annuelles, peu d’\u00e9tudes peuvent relier simultan\u00e9ment les variabilit\u00e9s du flux de CO2<\/sub>, du CO2<\/sub>\u00a0de l’eau et de k. L’objectif de cette deuxi\u00e8me \u00e9tude <\/strong>est d’\u00e9valuer la fr\u00e9quence minimale d’\u00e9chantillonnage des donn\u00e9es d’entr\u00e9e, n\u00e9cessaire aux estimations repr\u00e9sentatives des flux annuels de CO2<\/sub>\u00a0\u00e0 la surface d’un grand lac. Ici, nous montrons que des estimations repr\u00e9sentatives des flux de CO2<\/sub>\u00a0n\u00e9cessitent des k mod\u00e8les \u00e0 haute fr\u00e9quence (horaire), tout au long de l’ann\u00e9e, pour capturer des \u00e9v\u00e9nements de turbulence intense mais de courte dur\u00e9e. Des mesures quotidiennes et hebdomadaires du CO2<\/sub>\u00a0de l’eau sont n\u00e9cessaires pendant les p\u00e9riodes de transitions (printemps et automne), tandis que la fr\u00e9quence d’\u00e9chantillonnage du CO2<\/sub>\u00a0peut \u00eatre rel\u00e2ch\u00e9e pendant les p\u00e9riodes de stabilit\u00e9 comme l’\u00e9t\u00e9. En outre, nous montrons que les flux de CO2<\/sub>\u00a0littoraux, qui sont sup\u00e9rieurs d’un ordre de grandeur aux flux p\u00e9lagiques, contribuent de mani\u00e8re significative aux \u00e9missions totales du lac m\u00eame lorsque le littoral ne repr\u00e9sente qu’une tr\u00e8s petite part de la surface totale du lac. Enfin, nous proposons des solutions pour am\u00e9liorer ces quantifications des \u00e9changes de gaz de CO2<\/sub>\u00a0en utilisant des outils num\u00e9riques actuels tels que les mod\u00e8les m\u00e9t\u00e9orologiques spatiaux, les mod\u00e8les hydrodynamiques et la reconstruction de donn\u00e9es.<\/p>\n\n\n\n

    La derni\u00e8re \u00e9tude<\/strong> est consacr\u00e9e \u00e0 l’interaction entre l’alcalinit\u00e9 et les processus biologiques, en relation avec les dynamiques de CO2<\/sub>\u00a0de surface. Dans les syst\u00e8mes d’eau douce alcalins tels que le lac L\u00e9man, l’apparente absence de limitation du carbone \u00e0 la production primaire brute (GPP) \u00e0 de faibles concentrations de CO2<\/sub>\u00a0sugg\u00e8re que les bicarbonates peuvent soutenir la GPP. Cependant, la contribution des bicarbonates \u00e0 la GPP n’a jamais \u00e9t\u00e9 quantifi\u00e9e dans les lacs au fil des saisons. Nous pouvons d\u00e9montrer pour la premi\u00e8re fois que le CO2<\/sub>\u00a0disponible \u00e0 la surface du lac n’est pas suffisant pour maintenir la GPP pendant les deux tiers de l’ann\u00e9e dans le lac L\u00e9man. Pour soutenir le taux \u00e9lev\u00e9 de production d’O2, les producteurs primaires aquatiques pompent les bicarbonates de l’alcalinit\u00e9 pour soutenir la GPP. Le r\u00f4le n\u00e9glig\u00e9 de l’alcalinit\u00e9 dans le cycle du carbone de l’eau douce est mis en \u00e9vidence tout au long d’un cycle annuel. De plus, nous montrons que la fixation des bicarbonates par les producteurs primaires, loin d’\u00eatre anecdotique, peut \u00eatre le mod\u00e8le dominant pour les lacs d’eau dure.<\/p>\n\n\n\n

    Finalement, l’ensemble des r\u00e9sultats de ces trois \u00e9tudes, coupl\u00e9 \u00e0 la litt\u00e9rature existante, permet de proposer un cycle conceptuel du carbone pour les grands lacs alcalins profonds. Il met en \u00e9vidence l’interaction complexe des processus physiques et biog\u00e9ochimiques responsables des \u00e9missions de CO2<\/sub> sur un cycle annuel et d\u00e9montre que le lac peut \u00eatre consid\u00e9r\u00e9 comme un transformateur de carbone actif. Pour conclure, les limites et les perspectives de cette recherche sont discut\u00e9es en mettant l’accent sur les estimations futures des flux de CO2<\/sub> des lacs int\u00e9gr\u00e9s dans le temps et dans l’espace \u00e0 l’aide de nouveaux outils num\u00e9riques tels que le couplage de mod\u00e8les physiques et biog\u00e9ochimiques, et le Deep Learning.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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