Dossier : Climat   
    La recherche française sur le climat
  Les thèmes de recherche
  Cycle du carbone, effets anthropiques  
   

Le chantier "Golfe du Lion" du PNEC



Extrait de la Lettre n°13
Programme International
Géosphère
Biosphère-Programme Mondial
de Recherches sur le Climat

(PIGB-PMRC)
  Le milieu côtier, zone de transition entre continent et mer du large, est particulièrement exposé aux modifications d’origine anthropique. Le regain d’intérêt de ces dernières années résulte non seulement du constat de la régression constante de la qualité de l’environnement mais également du fait du rôle fondamental que joue l’écosystème côtier dans les bilans à l’échelle planétaire et des cycles des éléments (par exemple le cycle du carbone impliqué dans l’effet de serre). Le Golf du Lion est intensivement étudié depuis plusieurs années dans le cadre du PNEC.




1 : Carte du golfe du Lion indiquant les principaux sites d'étude du Chantier pour la période 1997-2000
 

Le PNEC (Programme national environnement côtier) a pour principaux partenaires l’IFREMER, le CNRS, l’INSU, l’IRD, le BRGM, le CNES et Elf.

Les opérations réalisées dans le cadre du «Chantier Golfe du Lion» ont nécessité la collaboration de huit laboratoires situés sur le pourtour du Golfe du Lion (de Toulon à Marseille) et la participation à deux programmes européens (Metro-Med et MATER). Les laboratoires impliqués sont :

  • Observatoire Océanologique de Banyuls
  • Laboratoire d’Aérologie (Toulouse)
  • Centre d’Etude et de Formation sur l’Environnement Marin (Perpignan)
  • Laboratoire des Sondages Electromagnétiques Terrestres (Toulon)
  • Institut pour la Sûreté et la Protection Nucléaire (La Seyne sur mer)
  • Laboratoire d’Océanographie et de Biogéochimie (Marseille)
  • Laboratoire de Diversité Marine (Marseille)
  • Laboratoire de Microbiologie Marine (Marseille)

Les objectifs

Le chantier Golfe du Lion s’est donné pour objectif principal l’établissement d’un bilan annuel de carbone et des éléments biogènes associés afin de préciser notamment le rôle de source ou de puits de matière pour le bassin occidental de la Méditerranée. Les objectifs généraux du chantier sont donc de préciser quantitativement les flux de matière à l’échelle du Golfe du Lion en affinant les connaissances des mécanismes régissant les processus de formation, de transferts de la matière organique dans le domaine pélagique et de déterminer la réponse de l’écosystème benthique aux fluctuations des apports énergétiques en termes d’activité biologique et de diagénèse précoce.



Les atouts du Golfe du Lion

Cette zone offre différents facteurs d’intérêt : la morphologie générale avec un large plateau continental bien individualisé, le Rhône (fleuve présentant le plus fort débit en Méditerranée occidentale) ; un moteur hydrodynamique prédominant (le courant liguro-provençal) ; et un ensemble de processus hydrodynamiques exemplaires en océanographie (remontées d’eau le long des côtes ou upwellings côtiers, formation hivernale d’eau profonde, phénomènes de plongée rapide d’eau dans les canyons sous-marins). Ajoutée à cette complexité, l’absence de marées importantes fait que l’hydrodynamisme est sous le contrôle des vents dominants fréquents et forts (tramontane, mistral, S-E).
Le golfe du Lion se présente ainsi comme un lieu privilégié d’observation permettant d’étudier à méso-échelle la variabilité spatiale et temporelle de la circulation des eaux, de la production biologique et l’influence des apports anthropiques sur cette façade méditerranéenne.
Les sites correspondant aux différentes actions réalisées au cours de la période 97-2000 sont indiqués dans la figure 1. Nous présentons ci-dessous les principaux résultats acquis.


2 : Evolution récente des concentrations en nitrate



3 : Pourcentage des différentes formes minérales et organiques

 


Le Rhône et son panache

L’apport en nitrate

Alors qu’un premier bilan sur plus de 20 ans des apports rhodaniens, mesurés près de l’embouchure, a permis de noter un doublement des apports nutritifs jusqu’en 1997, le suivi bimensuel réalisé sur la période 97-2000 tend à montrer que la teneur moyenne en nitrate a diminué au cours de cette période (figure 2). L’apport en nitrate est estimé à 123 000 tonnes et celui en phosphate est de l’ordre de 8 000 tonnes. Mais alors que l’apport d’azote se fait essentiellement sous forme minérale (68 %, figure 3), donc immédiatement utilisable par les organismes phytoplanctoniques, le phosphate est en grande partie apporté sous forme organique (52%) dont une grande partie sous forme particulaire (25%) qui sédimente très rapidement auprès de l’embouchure. Le suivi des apports nutritifs du Rhône doit donc impérativement prendre en compte les formes organiques.

L’impact du mistral




4 : Visualisation du panache du Rhône


5 : Distributions verticales de la salinité et de la chlorophylle
  Les campagnes BIODYPAR ont été principalement dédiées à l’étude de la dynamique du panache et au devenir des éléments nutritifs apportés par le Rhône (figure 4). Des équipements spécifiques à l’étude de cette zone à forts gradients ont été mis au point tel le dispositif SAMPOS (Système Autonome de Mesure de Profils dans l’Océan Superficiel). C’est un flotteur dérivant avec la masse d’eau conçu pour obtenir des profils verticaux à haute résolution du courant horizontal au niveau du panache (entre 0 et 3 à 4 m de profondeur).
Des conditions de mistral soutenu induisent une dilution rapide du panache (en quelques heures). Malgré un débit journalier élevé (1870 m3.s-1), la biomasse phytoplanctonique résultante est faible (figure 5a) et les sels nutritifs ne sont pas utilisés. Un développement important au sein du panache (multiplié par 5) ne s’observe qu’en période d’alternance de vent de terre et de vent de mer permettant un confinement à la côte des apports rhodaniens (figure 5b). Ce temps de résidence élevé favorise les productions bactériennes et phytoplanctoniques et conduisent à une consommation significative des éléments nutritifs. La variabilité des conditions de vent influence soit la dispersion rapide soit la transformation précoce des éléments apportés par le Rhône. L’exportation des apports dans le reste du golfe du Lion, en particulier dans sa composante ouest, va dépendre de son interface avec la dérive générale des eaux.




6 : Exemples de cartographie de courant
  L’hydrodynamisme à moyenne échelle

La circulation des masses d’eau et sa variabilité spatiale et temporelle sont très imparfaitement connues. Les ADCP de coque qui équipent maintenant les navires permettent de palier à ce manque d’information. Les différents transits effectués avec Le Suroît au cours des campagnes MOOGLI fournissent des photographies ponctuelles de la courantologie (figure 6).
Durant MOOGLI II (été), les courants les plus forts sont de l’ordre de 40-50 cm/s et sont situés soit près de la surface, soit dans les 80-100 premiers mètres. Durant MOOGLI III (hiver), les vitesses atteignent jusqu’à 70 cm/s vers 40 m et diminuent ensuite en profondeur (vitesses entre 20 et 40 cm à 160 m). Le courant liguro-provençal (LPC) le long du talus continental est généralement moins fort, plus étendu horizontalement et moins profond en été par rapport à l’hiver. On peut noter les oscillations du LPC le long du talus : vers le sud-ouest pour la partie sud des transects 2 et 4 et vers le nord-ouest pour les parties sud des transects 3 et 5. Il reste à déterminer la cause de ces méandres du courant LPC. L’expérience HFF (High Flux Frequency Experiment) réalisée durant le printemps 1997 a permis d’étudier la formation et la propagation de méandres et de structures tourbillonnaires en limite de plateau.




7 : Contours des concentrations en chlorophylle
  L’opération SARHYGOL (Suivi Automatique Régulier de l’Hydrologie dans le Golfe du Lion) étudie à l’échelle saisonnière la circulation et les caractéristiques biogéochimiques des masses d’eau de l’ensemble du golfe du Lion. L’impact de l’hydrodynamisme sur la biologie en surface est très net comme le montrent les résultats obtenus au cours de SARHYGOL 1 (figure 7). Les eaux fortement dessalées en provenance du Rhône ne sont pas encore fortement chargées en chlorophylle (Chl = 1.5 mg/m3) alors que les méandres plus éloignés du panache ont des concentrations allant jusqu’à 4 mg/m3.


La production pélagique : alternance nanoplancton-picoplancton

L’activité biologique tant dans le domaine pélagique qu’au niveau du fond a été particulièrement étudiée. Une forte activité biologique au sein du Golfe du Lion dès la fin de l’hiver (février) soutenue par la croissance d’algues de grande taille (nanoplancton ) alors que l’épuisement très rapide des éléments minéraux au début du printemps ne permet que le maintien d’une population planctonique de petite taille (picoplancton de 0,6 à 2 µm) caractéristique des eaux océaniques du large pauvres dites oligotrophes et bien adaptée aux faibles teneurs en éléments nutritifs, phosphate notamment. L’étude couplée de la production primaire (14C) et du cycle de l’azote (15N) à la fois en point fixe (site SOFI) et sur l’ensemble du Golfe du Lion durant 3 saisons (campagnes MOOGLI) a permis d’établir un bilan annuel de production de carbone et de production nouvelle respectivement égale à 71 ± 7 gC.m-2 et 37 ± 4 gC.m-2.




8 : Evolution temporelle des concentrations en carbone organique dissous
  De même, les mesures systématiques de matière organique dissoute et particulaire ont révélé une accumulation nette de carbone organique dissous au cours de la période estivale (figure 8). L’accumulation saisonnière de COD représente plus de 55% de la production primaire alors que cette proportion est comprise entre 6 et 23% en d’autres régions de la Méditerranée (Copin-Montégut et avril, 1993). Ce processus d’accumulation, certainement accentué par les apports allochtones permanents d’origine rhodanienne pourrait s’expliquer par la limitation en phosphate qui entraînerait une utilisation incomplète de ces composés organiques par les bactéries. Le phosphate, dont les apports par le Rhône ne serait pas immédiatement disponibles pour la production primaire apparaît alors jouer un double rôle de limitation de la production primaire et de contrôle des voies de transferts et d’exportation de la matière organique produite.




9 : Profils verticaux du rapport azote minéral / phosphate
  La limitation par le phosphate

L’étude du rapport azote /phosphore réalisée dans la fraction minérale a révélé un déficit significatif en phosphate avec des valeurs nettement supérieures à celles, voisines de 21, classiquement observés en Méditerranée (figure 9). Ce déficit apparaît dès la fin de l’hiver où les concentrations de phosphate mesurées au cours de la campagne MOOGLI sont proches de la limite de détection alors que les teneurs en nitrate sont proches de l’ordre de 2 µM. Le manque de phosphate limite l’utilisation du nitrate et apparaît comme un facteur de contrôle primordial de la production primaire (Diaz et al., 2000). Ce déficit en phosphore est accentué en période estivale. Les concentrations d’orthophosphate, mesurées à partir d’enrichissement en 33p, seraient proches de 0.001 µM et des temps de recyclage en phosphate très courts ont été mesurés malgré la proximité des apports terrigènes par le Rhône.




10 : Variations des flux de masses totaux
  Les flux et transferts particulaires

Les flux verticaux
Un suivi à long terme des flux particulaires verticaux à 500 et 1000 m de profondeur est effectué depuis octobre 1993 sur la pente continentale dans les canyons de Planier, au large de Marseille, et du Lacaze-Duthiers, au large de Banyuls. Les mesures révèlent, de manière générale, un signal saisonnier avec une intensité maximale entre février et avril (3-6 g m-2 j-1). Ce cycle moyen est corrélé avec l’augmentation saisonnière des apports (rivières, atmosphère et production biologique) et de l’intensité des mécanismes de transports (tempêtes, fluctuations du courant Nord, plongée d’eau dense). L’hiver 1999 présente cependant une singularité notable avec des flux exceptionnellement importants
(> 10 g m-2 j-1) (figure 10). Ces valeurs extrêmes résultent d’une plongée d’eau froide formée sur le plateau qui entraîne vers le bas de la pente du matériel particulaire du plateau. Un transport de cette amplitude, exportant en un seul mois autant que le reste de l’année, n’avait pas été observé depuis le début du suivi.




11 : Cycle du carbone proposé pour le Golfe du Lion
  Les flux horizontaux

Les flux de matière horizontaux en limite du golfe indiquent également une plus grande exportation en hiver qu’en été. Cet accroissement hivernal résulte probablement d’une augmentation du réservoir de matière disponible sur le plateau et, également, de l’intensité des échanges physiques entre le plateau et la pente. L’exportation de la matière particulaire par les courants horizontaux est deux ordres de grandeur plus importants que les flux particulaires verticaux mesurés simultanément avec des pièges à particules sur la pente continentale.

Bilans de masse et de carbone

Des bilans massiques de matière particulaire et de carbone organique particulaire ont été établis en considérant les termes sources (apports fluviatiles, dépôts atmosphériques et production phytoplanctonique) et les pertes du système (piégeage dans les sédiments, exportation vers le large, dégradation du carbone organique particulaire dans la colonne d’eau et à l’interface eau-sédiment). Compte tenu des incertitudes, les budgets de masse et de carbone organique particulaire apparaissent équilibrés et suggèrent que l’exportation vers le bassin profond adjacent représente moins de 10% des apports totaux.



Bilan CO2

Un bilan de matière a été établi à partir des données disponibles montrant que malgré les incertitudes qui pèsent encore sur les taux de minéralisation du carbone organique, le Golfe du Lion serait actuellement en équilibre du point de vue de l’absorption et du rejet de gaz carbonique. En revanche, les sources de carbone organique sont significativement supérieures aux termes puits et indiquent par conséquent que la marge continentale du Golfe du Lion est une zone de piégeage de carbone sous forme organique de l’ordre de 64 ± 34 104 TC.an-1 (figure 11).




12 : Evolution temporelle des teneurs
  La réponse benthique et les échanges à l’interface eau-sédiment

Les caractéristiques biochimiques de la matière organique sédimentée

Nous avons tout d’abord cherché à identifier des descripteurs biochimiques de la valeur nutritive de la matière organique sédimentée. Cet effort a plus particulièrement concerné la fraction azotée (acides aminés) qui est généralement considérée comme limitante dans les réseaux trophiques benthiques. Une distinction a ainsi été établie entre fractions dites "totale" et "disponible" (car hydrolysable par réaction enzymatique à froid et donc potentiellement digestible par la faune benthique). Ceci a notamment permis de cerner les rôles respectifs de la digestibilité et des limitations par des besoins alimentaires spécifiques dans le contrôle de la production de la faune benthique. Cette approche a été conduite à la fois à des stations fixes (Baie de Banyuls, SOFI, HFF), le long d’un gradient côte large (BBLL) et sur l’ensemble du golfe du Lion (MOOGLI).

Les fluctuations des spectres d’acides aminés totaux sont toujours relativement réduites et, dans la majorité des cas, en relation avec des épisodes de fort hydrodynamisme induisant la remise en suspension des sédiments. Les fluctuations temporelles des spectres d’acides aminés disponibles sont encore plus réduites. Leurs fluctuations spatiales sont également négligeables. Ceci suggère que la digestibilité de la matière organique constitue le facteur le plus important dans une optique de description de la valeur nutritive des substrats particulaires.

Les teneurs en acides aminés disponibles présentent des fluctuations temporelles importantes (figure 12), essentiellement liées à des processus de sédimentation de la production phytoplanctonique et de remise en suspension des sédiments.




13 : Exemples de matériels utilisés pour les mesures de flux
  La matière organique et les glucides sont associés à la fraction la plus réfractaire de la matière organique sédimentée. Les lipides et les acides aminés disponibles sont au contraire associés à la composante la plus labile.

Les meilleures corrélations entre paramètres biochimiques et faunistiques sont obtenues avec les lipides et les acides aminés disponibles. Ces corrélations s’avèrent toujours meilleures pour la méiofaune que pour la macrofaune. Les lipides et, dans une moindre mesure, les acides aminés disponibles constituent jusqu’à présent les meilleurs descripteurs de la valeur nutritive des substrats particulaires. Parmi les paramètres envisagés, ce sont également ceux qui sont associés à la fraction la plus labile de la matière organique. En ce sens, il semble donc maintenant intéressant de définir et de tester d’autres protocoles d’extraction encore plus «doux» que la digestion enzymatique.

Les échanges eau-sédiments

Les mesures des échanges à l’interface eau-sédiment ont fait appel à des techniques de pointe telles que des carottiers multitubes et une chambre benthique, système autonome équipé de nombreux capteurs (figure 13).




14 : Bilan annuel des échanges à l'interface eau-sédiment
  Les échanges sont peu intenses pour une marge continentale en raison de l’oligotrophie générale de la mer Méditerranée. La demande benthique en oxygène et le rejet de sels nutritifs par le sédiment augmentent généralement à proximité des côtes et de l’embouchure du Rhône, et sont corrélés positivement avec la teneur en matière organique du sédiment. A proximité de la rupture de pente du talus continental une moindre influence rhodanienne est enregistrée en raison du forçage hydrodynamique lié au Courant Nord-Méditerranéen.

Pour l’ensemble du Golfe du Lion, les sédiments superficiels assurent annuellement la minéralisation d’environ 360kt de carbone organique. Ces valeurs, comparables aux apports du Rhône ou du Courant Nord Méditerranéen, constituent une fraction non négligeable de la demande en sels nutritifs par la colonne d’eau, et montrent l’importance des échanges eau-sédiment dans les cycles biogéochimiques des marges continentales (figure 14).




15 : Courant mesuré à 30 mètres
  Modélisation

Le modèle hydrodynamique "Symphonie"

Le modèle hydrodynamique 3D Symphonie développé au Laboratoire d’Aérologie de Toulouse a été utilisé comme outil d’analyse des données recueillies pendant la campagne MOOGLI1-FETCH (mars-avril 1998) avec une maille horizontale de 3.3 km et 25 niveaux verticaux resserrés près de la surface et du fond. Le forçage en surface du modèle est constitué par les flux à l’interface océan-atmosphère du modèle de prévision météorologique Aladin de Météo France renouvelés toutes les 3 heures sur une grille de 0.1° x 0.1°. Les caractéristiques du courant Liguro-Provençal sont forcées aux frontières ouvertes du domaine. Le débit du Rhône est également imposé d’après les débits mesurés.

La figure 15 présente le courant mesuré à 30 m de profondeur le long de la trajectoire du bateau sur une période de 5 jours dominée par des conditions de vent de Nord à Nord-ouest (Mistral et Tramontane), ainsi que le courant modélisé en milieu de période. La partie centrale du plateau continental est le siège d’un tourbillon anticyclonique visible sur le champ mesuré ainsi que dans la simulation, tandis que la circulation côtière dans la partie occidentale du Golfe est dirigée vers le Sud.




16 : Image AVHRR de température de surface
  On a montré que le rotationnel de vent à mésoéchelle lié à la canalisation du Mistral par la vallée du Rhône et de la Tramontane par les Pyrénées est le moteur de ces circulations. De plus, des entrées d’eau du large sur le plateau situées en différents endroits le long de la pente continentale compensent l’exportation d’eau du plateau par les courants côtiers induits par le champ de vent. Ces intrusions du courant sur le plateau sont visibles sur l’image satellite de la température de surface (figure 16) sur laquelle les eaux du courant Liguro-Provençal apparaissent relativement chaudes (jaune orange) pénétrant sur le plateau à l’est du Rhône et également aux environs de 3.8° de longitude tandis que les eaux du plateau sont plus froides (bleu rouge).

Une conclusion importante de cette étude est que la connaissance du champ de vent à haute résolution spatio-temporelle est essentielle pour la quantification des échanges plateau-large.

Le modèle biogéochimique

Le modèle biogéochimique couplé au modèle hydrodynamique "SYMPHONIE" décrit un réseau trophique simplifié à 7 variables d’état exprimées en terme d’azote (N) et 4 exprimées en terme de phosphore (P). Le coulage avec le modèle hydrodynamique a permis de suivre le devenir de la matière produite (part exportée vers le large, part séquestrée sur le plateau…). Le golfe du Lion se révèle comme une zone privilégiée de production. Les flux de biomasse sortant de la zone modélisée par les frontières ouest et sud sont 10 et 100 fois supérieurs aux flux entrant à l’est. L’essentiel de l’exportation s’effectue par la frontière ouest sous l’influence majeure des conditions météorologiques, notamment le régime des vents.

Contact : Patrick Raimbault - raimbaul@com.univ-mrs.fr
Laboratoire d’océanographie et de biogéochimie (LOB),
CNRS-Université Aix-Marseille,
tél. : 04 91 82 91 05


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