Colloque national du Chantier Arctique Français «Arctique : les grands enjeux scientifiques»








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Accentuation de l’acidification en Arctique
ORR James, BOPP Laurent, GEHLEN Marion
LSCE / IPSL, Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement, CEA-CNRS-UVSQ, CEA Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, james.orr@lsce.ipsl.fr
Le changement climatique est amplifié en Arctique : il conduit à une diminution de glace de mer, à un réchauffement plus intense, à une baisse de salinité des eaux de surface, ainsi qu’à des modifications de la stratification verticale de l’océan. Quelques études ont montré que l’acidification de l’océan, liée à la pénétration dans l’océan de CO2 anthropique, pourrait également y être amplifiée. Cela implique des réductions plus importantes du pH et de l'état de saturation des eaux de surface par rapport au carbonate de calcium (CaCO3). Les principaux mécanismes responsables de cette amplification sont liés à la solubilité du CO2 importante dans les eaux froides et à l'augmentation des flux d'eaux douce vers l’océan, ce qui accentue le problème. En fonction de l'augmentation du CO2 atmosphérique, certaines zones de la surface de l'océan Arctique pourraient rapidement devenir sous-saturées en aragonite, une forme méta-stable de CaCO3 produite par certains organismes marins, comme les ptéropodes. Dans des conditions de sous-saturation, des études en laboratoire et des travaux sur le terrain confirment que les coquilles des ptéropodes vivants pourraient se dissoudre. Des études de modélisation ont montré qu’avec un CO2 atmosphérique à près de 400 ppm, ces conditions corrosives se rencontrent déjà saisonnièrement dans 10% des eaux de surface de l’Arctique. Cette fraction pourrait atteindre plus de 50% (en moyenne annuelle) quand le CO2 atmosphérique atteindra 500 ppm, soit dans les 3-4 décennies à venir dans la plupart des nouveaux scénarios RCP. Et si le CO2 atmosphérique dépasse les 670 ppm, la plupart des eaux de surface seront corrosives pour la calcite, la forme stable de CaCO3. Sous ces conditions de sous-saturation, les eaux de surface deviendraient chimiquement corrosives pour les coquilles de tous les organismes calcifiants marins. Or, ces derniers constituent un élément essentiel des écosystèmes arctiques. C'est ainsi que, par exemple, les bivalves sur des plateaux arctiques servent d’importante source de nourriture pour les morses, les baleines, les phoques et les oiseaux de mer. Notre mauvaise connaissance des calcificiants planctoniques et benthiques en Arctique, et en particulier de leurs distributions géographiques, risque de nous empêcher de détecter les impacts à venir.

Au LSCE/IPSL, nous utiliserons une hiérarchie de modèles, y compris des modèles Système Terre (couplé) et des modèles océaniques forcés, pour évaluer l’évolution de l'acidification en lien avec d'autres changements (réchauffement, fonte de la glace de mer, désoxygénation, et augmentation de la décharge des rivières et des apports de carbone et d'éléments nutritifs associés). L'amélioration de la résolution des modèles océaniques et de sa composante biogéochimique est nécessaire pour affiner cette évaluation. Des collaborations avec les équipes impliquées dans l’observation seront critiques pour évaluer et améliorer les projections des modèles. Ces projections seront partagées avec les expérimentateurs qui ont besoin de contraindre les conditions futures pour leurs études des impacts biologiques et biogéochimiques.

Centre Franco Sibérien : the Environment, climate, continental surface and biosphere project
PARIS, Jean-Daniel1 and colleagues*

1 : LSCE-IPSL, CEA-CNRS-UVSQ, CEA Saclay, Orme des Merisiers, 91191 Gif, jdparis@lsce.ipsl.fr

*French contributors are:

C Grenier, P Ciais, J Jouzel - Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement

A Kouraev - Laboratoire d’Etudes en Géophysique 
et Océanographie Spatiales

D Texier – Observatoire Midi Pyrénées

HW Jacobi, Olga Zolina - Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l’Environnement

R Teissenrec, JL Probst - Laboratoire écologie fonctionnelle et environnement

F Laggoun-Defarge - Institut des Sciences de la Terre d'Orléans

K Law, G Ancellet, P Keckhut, A Sarkissian - Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales

J Viers - Geosciences Toulouse

A Campargue - Laboratoire interdisciplinaire de Physique

V Tyuterev - Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique

F Costard - Interactions et Dynamique des Environnements de Surface

D Derrien - INRA Nancy

MN Houssais - Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques

A Lavrillier - Centre Européen d’Etudes Arctiques

D Gilbert - Chrono-Environnement Besançon
High latitudes of the Northern Hemisphere play a key role in the Earth system through multiple couplings between climate, biogeochemical cycles, ecosystems, landscapes and hydrology. Siberia is a particular hot spot of these interactions. It is subject to a number of vulnerabilities under a regionally enhanced climate change, including thawing permafrost, shifting tree line, increased forest fires, enhanced human impact at high latitudes. Within sight of the Siberian coast, the opening of sea ways in the previously iced Arctic Ocean.

Increasing human activities also exert a strong impact on the local and remote environment with the exploration of oil and gas, forest exploitation, agriculture and other uses of natural resources. Here, humans and the perturbed natural systems are part of numerous interactions that require better understanding. Gas flaring, systematic in Russia, emits large amounts of black carbon and other pollutants toward the rest of the Arctic.

Strong scientific collaborations exist currently with Russian research laboratories and institutes in the frame of various bilateral or trilateral structuring projects. Existing collaborations include the LIA YAK-AEROSIB (atmospheric composition from aircraft), GDRI CARWETSIB (wetlands and biogeochemistry), LIA SAMIA (spectroscopy for atmospheric composition), CliMireSiber (mires and peatland experiment), LIA Vostok (paleoclimate) and several other initiatives ranging from permafrost geomorphology to the study of boreal forest fires. Together these projects and new ones emerging in the Centre Franco Sibérien, an initiative of CNRS and the MESR cover a wide spectrum of environmental and climate related research focusing on Siberia, either in the frame of comparative studies, or to monitor this huge and vulnerable area, or as a testbed for general Earth system theories. Data coming from their experiments, campaigns and observatories form an important basis for a better understanding of this critical region of the Arctic. Emerging questions revolve around the increased emissions of greenhouse gases by local ecosystems under climate change, changes to the regional environment, evolution of permafrost and impact of regional emissions of short-lived pollutants on the rest of the Arctic.

Anthropogenic and forest fire aerosols transported to the Arctic observed during the POLARCAT-France campaign
QUENNEHEN Boris1, SCHWARZENBOECK Alfons2, MATSUKI Atsushi3, BURKHART John4, STOHL Andreas4, ANCELLET Gérard1, LAW Kathy1
1 : UPMC Univ. Paris 06; Université Versailles St-Quentin; CNRS/INSU, LATMOS-IPSL, UMR8190, Paris, France, quennehen@latmos.ipsl.fr, 2 : Laboratoire de Météorologie Physique, UMR6016, Université Blaise Pascal, CNRS, Aubière, France, 3 : Frontier Science Organization, Kanazawa University, Japan, 4 : Norwegian Institute for Air Reasearch (NILU), Kjeller, Norway
The POLARCAT project was launched in the frame of the 4th Interational Polar Year (IPY). The French part of the project involved two measurement campaigns performed in April and July 2008, in Kiruna, Sweden and Greenland, respectively. In spring, the French ATR-42 research aircraft was deployed with instrumentation dedicated to the measurement of aerosol physical and chemical properties, trace gases and cloud microphysical properties. The aim of this study is to present two cases study of aerosol pollution plumes transported to the Arctic as measured by the aircraft.

The first case study focuses on an anthropogenic pollution plume transported from Central Europe to the Arctic. The plume was sampled during three consecutive days and thus, the physical ageing of the aerosol particles has been studied. The aitken mode (particles with diameter between 20 and 80 nm) mean diameter was increading with time while the modal concentration decreases (Quennehen et al., 2012).

The second case study is analysing an Asian pollution plume transported across the North Pole. The analyses of the ambient and refractory (heated at 280°C) size distributions highlights the influence of 2 different aerosol in the plume composition : Biomass burning originating from fires in Siberia and an anthropogenic origin from China.Both aerosol types are characterized by specific ambient and refractory modal mean diameters. The mixing state of the plume is confirmed by the spectroscopy analysis of in-situ particle samples collected during the flight.
Impact de la fonte de la glace sur le CO2 et l’acidification du Pacifique Arctique

RUIZ-PINO D.1, COUPEL P.1,2 , BOUVET A. 1,3, GASCARD J.C. 1 et CHEN J.3

1 : Laboratoire d’Océanographie et du Climat : Expérimentations et Approches Numériques (LOCEAN), UPMC, CNRS, UMR 7159, 4 place Jussieu 75005 Paris, France, ruizlod@locean-ipsl.upmc.fr 2 : Unité mixte international TAKUVIK Université Laval-CNRS, Département de Biologie, Pavillon Alexandre-Vachon, 1045, av. de la Médecine, local 2078 Québec (Québec) G1V 0A6, Canada 3 : Laboratory of Marine Ecosystem and Biogeochemistry, Second Institute of Oceanography, SOA, 36 Baochubei Road Hangzhou 310012, China

La pression partielle du CO2 (pCO2sw) dans les eaux de surface de l’Arctique était jusqu’aux années 90 inférieure à 300 atm, faisant de cet océan un puit potentiel de CO2 atmosphérique. L’océan Arctique, malgré sa relative petite taille, aurait contribué à hauteur de 5% à 14% à la prise de CO2 l’atmosphérique au cours du 20ème siècle. Le réchauffement des eaux et le retrait des glaces liés au changement climatique actuel pourraient modifier la capacité de cet océan polaire à séquestrer le CO2 atmosphérique. Quelle quantité de CO2 d’origine anthropique émis dans l’atmosphère depuis le début de l’ère industrielle a réellement été séquestrée par l’océan Arctique ? Quelles sont les conséquences de cette prise du carbone anthropique sur l’acidification des eaux ? Depuis 2007, le secteur Pacifique de l’Arctique (Ouest Arctique) est particulièrement touché par l’accélération de la fonte de la glace de mer et par un apport croissant d’eau douce en surface. Cette accumulation d’eau douce couplée à une forte désalinisation (« freshening »), est provoquée par l’apport simultané des eaux de fonte de la glace marine et continentale via les fleuves . Quel est l’impact de cette fonte accrue de la glace et du « freshening » sur les flux de CO2 ?

La réduction de la glace de mer pourrait accroitre la prise de CO2 par cet océan en augmentant la surface d’échange avec l’atmosphère et en stimulant la pompe biologique à carbone via une incrémentation de la productivité primaire. Mais les premières observations obtenues entre 60°N et 90°N à travers le Pacifique Arctique (campagne océanographique CHINARE) pendant l’été 2008, où la fonte de la glace a été très intense, montrent au contraire une réduction de la capacité de l’Arctique à prendre du carbone. Cette réduction du puits de CO2 océanique est marquée par une pCO2sw significativement plus forte durant la dernière décennie que durant les étés plus englacés des années 90. Cette tendance à l’augmentation de la pCO2 dans les eaux de surface est confirmée par les données obtenues pendant les dernières campagnes CHINARE correspondant à des étés d’AO (Oscillation Arctique) très négative (2010) et de record de fonte de glace (2012).

L’augmentation de la pCO2sw est plus forte et plus rapide que celle du CO2 de l’atmosphère. Ni l’augmentation de la température ou de la stratification de l’océan, ni la prise de CO2 anthropique sont suffisantes pour expliquer une telle augmentation de la pCO2sw en Arctique. L’augmentation du « freshening » en agissant à la fois sur le carbone inorganique total dissous (DIC), l’alcalinité, la salinité et la capacité tampon de l’océan expliquerait l’augmentation de la pCO2sw observée dans le bassin Canadien. Jusqu’à l’été 2008, l’augmentation de la pCO2sw serait majoritairement due à un « freshening » produit par la fonte de la glace de mer et par la pénétration du CO2 anthropique. Mais depuis 2010, c’est plutôt l’apport d’eaux douces continentales issu de la fonte des glaciers et enrichies en carbone dissous qui deviendrait l’acteur principal de l’augmentation de la pCO2sw décelée dans les eaux réchauffées et dessalées de l’Arctique Pacifique.

L’augmentation de la pCO2sw a entraîné une acidification des eaux de surface de l’ordre de 0.2 unités de pH en seulement 16 ans (entre 1994 et 2010). Cette acidification est validée, avec des observations in-situ (CHINARE) pendant trois été (2008, 2010 et 2012). La diminution du pH de l’Arctique est 10 fois plus forte que celle prédit par les modèles et plus intense et plus rapide que celle des autres océans. Le degré de la saturation de l’aragonite engendrée par la baisse du pH aurait dépassé dans le plateau continental de la mer de Chuckchi la valeur seuil de 1, mettent ainsi en péril certains organismes polaires tels que les ptéropodes.

En supposant que l’augmentation de la pCO2sw se poursuivra dans le futur à la même vitesse que celle observée pendant les derniers étés, cet océan pourrait devenir, en seulement une dizaine d’années, une source de CO2 pour l’atmosphère. L’Arctique d’aujourd’hui nous montre en temps réel, ce qui a dû se produire pendant les périodes interglaciaires. Cette source de CO2 serait activée par la fonte de la glace de mer et intensifiée par la fonte de la glace continentale et le « freshening ». A la différence des autres océans, ce n’est pas la température mais la salinité et le « freshening » associé à la fonte des glaces de mer et continentales qui contrôlerait l’effet de rétroaction des océans polaires vis-à-vis du CO2 de l’atmosphère. Comment les variations de la pompe biologique induite par la fonte de la glace influencent la séquestration du carbone reste une question ouverte.

Bacterial reactive nitrogen production within dry Arctic snow and its impact on the overlying atmosphere
SAVARINO Joël1, MORIN Samuel2, DOMINE Florent3c ERBLAND Joseph1, BEINE Harry4, AMOROSO Antonio4
1 : Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l’Environnement, CNRS/UJF, 54 Rue Molière, BP96, St Martin d’Hères, joel.savarino@ujf-grenoble.fr, 2 : Centre d’Etude de la Neige, Météo-France/CNRS CNRM-GAM, Rue de la Piscine, St Martin d’Hères, 3 : Takuvik Joint International Laboratory, Université Laval (Canada) - CNRS (France), Département de biologie et Québec-Océan, Université Laval, Québec, Québec, G1V 0A6, Canada, 4 : CNR - Institute of Atmospheric Pollution Research, Area della Ricerca di Roma, Via Salaria, Roma, Italia
Nitrate (NO3-) in the snow is an essential component of the pool of nutrients in the Arctic environment. Believed to stem mostly from atmospheric deposition, nitrate in the snow undergoes strong post-depositional processing including physical release and photochemical transformation into atmospheric reactive nitrogen (NOx and HONO). The latter exert a strong influence on the regional oxidative capacity of the atmosphere, through its interaction with ozone, peroxy radicals (ROx) and reactive halogen species. Snow therefore contributes to the biogeochemical cycling of reactive nitrogen, which exerts a strong influence on the Earth’s surface as a key nutrient for many remote ecosystems.

To shed some new light on snow nitrate reactivity and its impact on the atmosphere, we carried out a field campaign at Ny-Ålesund, Svalbard (78°55′ N, 11°55′ E, sea level) in the European Arctic, from February to April 2006. We measured the fluxes of NO, NO2, HONO, and HNO3 between the seasonal snow and the atmosphere, the chemical composition of the snow in mineral ions, and the isotopic composition of nitrate and nitrite in the atmosphere and in the snow. The conditions ranged from complete darkness in February to permanent sunlight in April.

Surprisingly, we present evidence that NOx and HONO can be emitted by the snowpack to the polar boundary layer in the absence of sunlight. The dual isotope plot of snow nitrate (∆17O vs. δ15N) reveals that the isotopic composition of nitrate in the snow is well described by the mixing of two widely different sources. While the first bound corresponds to the atmospheric component, the isotopic data clearly indicate the existence of another, non-atmospheric, source of nitrate in the snowpack, possessing a zero ∆17O and a positive δ15N (5 ‰). In light of the present knowledge, our data indicate that in-situ production of nitrate occurs within the snowpack under dry conditions (no melting).

We speculate that nitrate is produced from ammonium by nitrifying bacteria. We therefore suggest that microbial activity in cold snowpacks can lead to the release of significant amounts of reactive species, and deserves consideration in the understanding of polar boundary chemistry and of polar snow chemistry.

If confirmed, the presence of metabolically active nitrifying bacteria has great relevance for the cycling of nutrients in the Arctic environment, especially under the increasing pressure of anthropogenic nitrogen inputs; in addition, the potential concurrent activity of denitrifying bacteria could explain the occurrence of reactive nitrogen (NOx and HONO) snow surface emissions that were measured during dark periods, thus not attributable to photochemical processes in the snow. Potential emission of N2O, a patent greenhouse gases, is also expected to occur in association with the observed emissions of the reactive nitrogen species and merits further considerations.
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