Published February 21, 2020 | Version v1
Report Restricted

Oceanic emissions of gases of interest for atmospheric chemistry - Modeling oceanic dynamics of CO2, isoprene and DMS

Description

Phytoplankton activity is responsible for the oceanic production of volatile compounds which, once released into the atmosphere, have an impact on its oxidative capacity, on aerosol formation and on climate evolution. The oceanic emissions of most of these compounds are, however, poorly known because of a low number of in situ observations and a lack of knowledge in the oceanic processes involved. In a first step, I studied the oceanic cycles of carbon monoxide (CO) and isoprene (C5H8). In order to re-evaluate their emissions to the atmosphere, the sources and sinks of these gases in the water column have been embedded into the 3-D ocean circulation and marine biogeochemistry model NEMO-PISCES. In parallel, I compiled in situ measured oceanic concentrations and laboratory results from the literature to better constrain these oceanic processes. I produced the first spatialization of CO and isoprene emissions based on a 3-D ocean model and not relying on satellite data for the calculation of concentrations. For CO, global emissions are estimated to 4.0 Tg C yr-1, with a spatial dynamic reflecting its photochemical source. This dynamic is very different from the one produced in the 80's, which was the only one available to the atmospheric chemistry community. For isoprene, I showed the importance of water temperature in regulating the phytoplankton production. Global emissions are estimated to 0.66 Tg C yr-1, with a spatial dynamic reflecting this source. For both compounds, I also showed the importance of ocean circulation and mixing in determining surface concentrations and therefore emissions to the atmosphere. In a second step, I studied the responses of oceanic emissions of CO, isoprene and dimethyl sulfide (DMS) to climate change. This leads to an increase in the emissions of the 3 gases (+9.4, +4.2 and +6.5% for CO, isoprene and DMS in 2100 for a scenario with high emissions of greenhouse gases). Emissions tend to increase at high latitudes and decrease at lower latitudes. Global changes are mainly controlled by changes in water temperature, while changes in spatial distribution are controlled by a redistribution of phytoplankton production. Even if the uncertainties in modeling these cycles are still important, this work should allow integrating these cycles into an Earth System model coupling marine biogeochemistry and atmospheric chemistry, in order to better quantify the potential role of these interactions on the evolution of atmospheric chemistry and climate. (author)

Abstract (French)

L'activite phytoplanctonique est a l'origine de la production dans l'ocean de composes volatils, qui, une fois emis dans l'atmosphere, ont un impact sur sa capacite oxydante, la formation d'aerosols et la regulation du climat. Les emissions oceaniques de la plupart de ces composes sont neanmoins mal connues en raison d'un faible nombre d'observations in situ et d'un manque de connaissance dans les processus oceaniques en jeu. Dans un premier temps, je me suis interessee aux cycles oceaniques du monoxyde de carbone (CO) et de l'isoprene (C5H8). Afin de re-evaluer leurs emissions vers l'atmosphere, les processus de production et de consommation de ces gaz dans la colonne d'eau ont ete integres au modele 3-D de circulation oceanique et de biogeochimie marine NEMO-PISCES. En parallele, des compilations de concentrations oceaniques mesurees in situ et de resultats de laboratoire ont ete realisees a partir de la litterature afin de mieux contraindre ces processus oceaniques. J'ai obtenu les premieres spatialisations des emissions de CO et isoprene basees sur un modele 3-D de l'ocean et ne faisant pas appel a des donnees satellites pour le calcul des concentrations. Pour le CO, les emissions globales sont estimees a 4,0 Tg C an-1, avec une dynamique spatiale qui reflete principalement sa source photochimique. Cette dynamique est tres differente de celle produite dans les annees 80, qui etait la seule disponible pour la communaute de chimistes de l'atmosphere. Pour l'isoprene, j'ai montre l'importance de la temperature de l'eau dans la regulation de sa production phytoplanctonique. Les emissions globales sont estimees a 0,66 Tg C an-1, avec une dynamique spatiale qui reflete cette source. Pour les deux composes, j'ai egalement montre l'importance des effets de la circulation et du melange oceaniques dans la determination des concentrations de surface et donc des emissions vers l'atmosphere. Dans un second temps, je me suis interessee aux reponses des emissions oceaniques de CO, isoprene et sulfure de dimethyle (DMS) au changement climatique. Celui-ci conduit a une augmentation des emissions des 3 gaz (+9,4, +4,2 et +6,5% pour le CO, l'isoprene et le DMS en 2100 pour un scenario a fortes emissions de gaz a effet de serre). Les emissions ont tendance a augmenter aux hautes latitudes et a diminuer aux basses latitudes. Les changements globaux sont principalement controles par les changements de temperature de l'eau, alors que les changements dans la distribution spatiale sont controles par une redistribution de la production phytoplanctonique. Meme si les incertitudes sur la modelisation de ces cycles est encore importante, ce travail devrait permettre a terme d'integrer ces cycles dans un modele du systeme terre, couplant biogeochimie marine et chimie atmospherique, afin de mieux quantifier le role potentiel de ces interactions sur l'evolution de la chimie atmospherique et du climat.

Files

Restricted

The record is publicly accessible, but files are restricted to users with access.

Additional details

Additional titles

Original title (French)
Emissions oceaniques de gaz d'interet pour la chimie atmospherique - Modelisation des dynamiques oceaniques du CO2 de l'isoprene et du DMS

Publishing Information

Imprint Pagination
175 p.
Report number
FRCEA-TH--12293

Optional Information

Notes
297 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses