Published December 7, 2017 | Version v1
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Modeling aerosol deposition impacts on the Mediterranean biogeochemical cycles

Description

Observations and experiments showed that aerosol deposition can increase the amount of bioavailable nutrients and favor biological production of the Mediterranean Sea. In this context, the present study yields for the first time a quantification of the effects of aerosol deposition from various sources thanks to the coupled physical-biogeochemical model NEMOMED12/PISCES. This study consists in modeling and analyzing the effects on the Mediterranean biogeochemistry of atmospheric deposition of nitrogen and phosphate from various natural and anthropogenic sources. For this purpose, regional and global atmospheric models representing aerosol deposition were evaluated and selected. The NEMOMED12/PISCES model was modified to take into account these new nutrient sources. The analysis of the simulations showed that atmospheric deposition accounts for approximately 10 % of total external nitrate supply and 5 to 30 % of phosphate supply on average over the entire basin. Aerosol deposition can also increase biological production up to 50 % thanks to the lowering of nutrient limitations. The maximal fertilizing effects are observed during the stratified period which, in the Mediterranean region, is summer. The effects of climate change may be particularly important in sensitive regions such as the Mediterranean. Therefore, the evolutions of basin scale biogeochemistry were evaluated under a climate change scenario. The NEMOMED8/PISCES model was used with physical and biogeochemical forcings for the IPCC A2 climate change scenario. This study shows a reduction in basin scale surface productivity by approximately 10 % triggered by warming and stratification. Nutrient limitations are modified and the Mediterranean Sea sensibility to atmospheric deposition changes. The results of this thesis underline the importance of atmosphere as a nutrient source, in particular for nitrogen and phosphate. Deposition effects vary according to the season and the location. They are more important during the stratified period, when surface water is nutrient limited. Also, any change in biological productivity is quickly transferred along the biological chain. To refine the results, the atmospheric models could be improved and more knowledge on deposition fluxes and physical and chemical transformations of aerosols before and after deposition would be necessary. Moreover, more precise scenarios concerning climate change effects would be necessary in order to study the future evolutions of biogeochemical conditions in the Mediterranean. Finally, the recent developments on the PISCES model make new studies possible in a non-redfieldian context. Preliminary results indicate that the productivity of the different phyto-planktonic groups varies with intracellular C/N/P ratios. (author)

Abstract (French)

Les observations et experiences ont montre que le depot d'aerosols pouvait entrainer une augmentation de la quantite de nutriments disponible et ainsi favoriser la production biologique de la mer Mediterranee. Dans ce contexte, cette etude propose pour la premiere fois une quantification des effets du depot d'aerosols en provenance de sources variees sur la biogeochimie de l'ensemble de la mer Mediterranee grace a un modele couple physique-biogeochimie haute resolution NEMOMED12/PISCES. L'etude consiste a modeliser et analyser les effets du depot d'azote et de phosphate en provenance de sources naturelles et anthropiques sur la biogeochimie de la Mediterranee. Pour cela, des modeles atmospheriques regionaux et globaux permettant de representer le depot d'aerosol ont ete evalues et selectionnes. Le modele NEMOMED12/PISCES a ete adapte pour prendre en compte ces nouvelles sources de nutriments. L'analyse des simulations a permis de montrer que le depot atmospherique represente environ 10 % des apports externes totaux de nitrates et 5 a 30 % des apports de phosphate en moyenne sur l'ensemble du bassin. Le depot peut egalement entrainer une augmentation de la production biologique jusqu'a 50 % grace a la levee des limitations en nutriments. Les effets des changements climatiques pourraient avoir des consequences particulierement importantes sur une region sensible comme la Mediterranee. C'est pourquoi les evolutions de la biogeochimie du bassin dans un scenario de changement climatique ont ete evalues au cours de cette these. Pour cela, le modele NEMOMED8/PISCES a ete utilise avec des forcages physiques et biogeochimiques qui correspondent au scenario d'evolution des conditions climatiques A2 du GIEC. Cette etude met en evidence une diminution de la productivite biologique de surface de 10 % en moyenne dans l'ensemble du bassin en reponse a l'echauffement et a la stratification. Les limitations en nutriments sont fortement modifiees et la sensibilite de la Mediterranee au depot atmospherique de nutriments change. Les resultats de cette these soulignent l'importance de l'atmosphere comme source de nutriments et en particulier d'azote et de phosphate. Les effets du depot atmospherique sont variables en fonction de la saison et de la localite du depot et ont tendance a etre plus significatifs lorsque les eaux de surface sont limitees en nutriments. Enfin tout bouleversement de la productivite biologique est transmis rapidement le long de la chaine trophique. Les resultats obtenus pourraient etre precises avec l'amelioration des modeles atmospheriques et l'obtention de nouvelles mesures de flux de depot et l'amelioration des connaissances sur les transformations physico-chimiques subies par les aerosols avant et apres leur depot en milieu oceanique. Par ailleurs, des scenarios plus precis concernant les changements climatiques sont necessaires afin d'evaluer les evolutions des conditions biogeochimiques de la Mediterranee. Enfin, les recents developpements du modele PISCES peut a present permettre d'etudier la Mediterranee dans un contexte non redfieldien. (auteur)

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Original title (French)
Modelisation de l'impact du depot d'aerosols sur les cycles biogeochimiques de la mer Mediterranee

Publishing Information

Imprint Pagination
285 p.
Report number
FRCEA-TH--10075

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