Le milieu naturel: cycles et flux

Transcription

1 Le milieu naturel: cycles et flux L3 Option Chimie Analytique des milieux naturels R. Losno 1

2 Plan Le milieu naturel Les cycles, la biogéochimie Définitions Exemples: le cycle de l'eau, le cycle du phosphore Perturbation des cycles Couplages des cycles, rétroaction, le cycle du carbone 2

3 Le milieu naturel et l'environnement Différentes échelles d'espace Local (à l'échelle de l'observateur) Régionnal Continental Global (l'ensemble de la planète) 3

4 Le milieu naturel et l'environnement Les milieux naturels sont fluides, ils "coulent", leur matière se déplace air (atmosphère), 1 à 20 m/s (vent) eau (rivière), 0.1 à 2 m/s eau (lacs, océans), 1 à 10 cm/s sols, très variable dans le temps croûte terreste, 0.1 à 10 cm/an 4

5 Relation d'échelle temps-espace vitesse = distance / temps Un milieu fluide de taille d qui coule à une vitesse v verra un évènement mettre un temps t = d / v pour se propager Les échelles spatiales et temporelles d'un milieu sont reliées entre elle par la vitesse d'écoulement dans ce milieu 5

6 Exemple, l'océan et la circulation thermo-haline salinité plus forte 6

7 Une composition chimique variable 7

8 Des gradients de propriétés physiques océan de surface thermocline 8

9 Chimie dans les milieux naturels Milieux variables paramètres physiques composition chimique Transport de matière S'apparente au génie chimique: chimie couplée au transport Nécessité de développer une chimie analytique robuste et performante => Applications rapides à tout système complexe comme un réacteur de production industrielle 9

10 Un cycle Décrit les flux d'échange de matière et/ou d'énergie entre des réservoir. Un réservoir est une partie du milieu naturel qui se définit par rapport à des propriétés physiques ou chimiques (un peu comme une phase en thermodynamique) Un flux est une quantité divisé par un temps, c'est la vitesse de transfert de la matière ou de l'énergie 10

11 Des réservoirs Un lac (le lac Léman par exemple) Un océan (par ex. Atlantique) L'atmosphère Tous les océans La biosphère L'azote dit organique dans les sols L'arsenic au degré d'oxydation +5 dans un sol... 11

12 Le cycle de l'eau: réservoirs Réservoirs Volume Mkm³ Proportion Océans % Calottes glaciaires & glaciers 43 2% Eau souterraine % Lacs Humidité des sols Atmosphère Fleuves et rivières Biosphère

13 Le cycle de l'eau «Cycle de l'eau» par toony Travail personnel. Sous licence CC BY 3.0 via Wikimedia Commons

14 Schéma en boîtes et flèches Atmosphère Continents Océans 14

15 Schéma en boîtes et flèches Atmosphère (0.015) Continents (59) Océans (1400) 10 6 km 3 15

16 Schéma en boîtes et flèches Atmosphère (0.015) km 3 /an Continents (59) 0.04 Océans (1400) 10 6 km 3 16

17 Temps de résidence A B 50 17

18 Temps de résidence τ = Stock / Flux A B ans 5 ans 18

19 Temps de résidence (Durée de vie) τ = Stock / ΣFlux A B 50 5 ans 2 ans 40 C 60 19

20 Calculez le temps de résidence de l'eau dans l'atmosphère Atmosphère (0.015) Continents (59) km 3 /an Océans (1400) km 3 TR = Stock / Flux = 0.015/0.51 = 0.03 an = 11 jours 20

21 Cycle bio géo chimique géo: sur la planète Terre bio: la vie est omniprésente sur la Terre chimique: éléments chimiques, réactions chimiques 21

22 Nécessités vitales La vie a un grand besoin de presque tous les éléments chimiques Assimilation Biologique "vivant" Excrétion Minéral "inerte" Reminéralisation 22

23 Nécessités vitales Système HORS EQUILIBRE Energie Photons solaire Oxydo-réduction Assimilation Biologique "vivant" Excrétion Minéral "inerte" Reminéralisation 23

24 L'étude des cycles biogéochimiques, c'est l'étude de grands systèmes hétérogènes hors équilibre Techniques et méthodes d'analyse chimique adaptées aux systèmes complexes Applications environnementales Applications industrielles Applications en laboratoire 24

25 Stock Mt Flux Mt/an Le cycle du phosphore Écosystème terrestre 3000 Atmosphère Continent Océan de surface Océan profond: Écosystème marin P minier Sédiments

26 Stock Mt Flux Mt/an Le cycle du phosphore Écosystème terrestre 3000 Atmosphère Continent Océan de surface Océan profond: Écosystème marin P minier Sédiments

27 Stock Mt Flux Mt/an Le cycle du phosphore Écosystème terrestre 3000 Atmosphère Continent Océan de surface Océan profond: Écosystème marin P minier Sédiments Flux entrant = 1040 Mt/an = Flux sortant = Mt/an Etat stationnaire 27

28 Stock Mt Flux Mt/an Le cycle du phosphore Écosystème terrestre 3000 Atmosphère Continent Océan de surface Océan profond: Écosystème marin P minier Sédiments TR = Stock / Flux = 138/1040 = 0.13 an = 48 jours 28

29 Stock Mt Flux Mt/an Le cycle du phosphore Écosystème terrestre 3000 Atmosphère Continent Océan de surface Océan profond: Écosystème marin P minier Sédiments Durée de vie = 10000/12 = 833 ans état transitoire (F sortant # Flux entrant ) 29

30 Perturbation des cycles Au cours d'un passé récent, de nombreuses forêts ont été remplacées par des espèces végétales à durée de vie courte (de l'ordre de 6 mois). Quels effets cela peut-il avoir sur: 1. La quantité de phosphore stockée dans la biosphère continentale. 2. Les échanges de phosphore entre la biosphère continentale et le réservoir que constitue les sols continentaux. 3. Les échanges entre les sols continentaux et la surface de l'océan. 30

31 Perturbation des cycles Au cours d'un passé récent, de nombreuses forêts ont été remplacées par des espèces végétales à durée de vie courte (de l'ordre de 6 mois). Quels effets cela peut-il avoir sur: 1. La quantité de phosphore stockée dans la biosphère continentale. Elle diminue car le volume de biomasse diminue 2. Les échanges de phosphore entre la biosphère continentale et le réservoir que constitue les sols continentaux. 3. Les échanges entre les sols continentaux et la surface de l'océan. 31

32 Perturbation des cycles Au cours d'un passé récent, de nombreuses forêts ont été remplacées par des espèces végétales à durée de vie courte (de l'ordre de 6 mois). Quels effets cela peut-il avoir sur: 1. La quantité de phosphore stockée dans la biosphère continentale. Elle diminue car le volume de biomasse diminue 2. Les échanges de phosphore entre la biosphère continentale et le réservoir que constitue les sols continentaux. Ils augmentent car la végétation disparait plus vite et se régénère plus vite 3. Les échanges entre les sols continentaux et la surface de l'océan. 32

33 Perturbation des cycles Au cours d'un passé récent, de nombreuses forêts ont été remplacées par des espèces végétales à durée de vie courte (de l'ordre de 6 mois). Quels effets cela peut-il avoir sur: 1. La quantité de phosphore stockée dans la biosphère continentale. Elle diminue car le volume de biomasse diminue 2. Les échanges de phosphore entre la biosphère continentale et le réservoir que constitue les sols continentaux. Ils augmentent car la végétation disparait plus vite et se régénère plus vite 3. Les échanges entre les sols continentaux et la surface de l'océan. L'érosion des sols induite par la disparition de la végétaion augmente l'export des sols vers l'océan 33

34 Forme de la perturbation Surface Boisée On estime que 20% de la surface boisée a été transformée. Donner l'allure des variations des volumes des différents réservoirs qui varient dans les trois cas suivants. La masse des végétaux ayant remplacé les arbres représente 20% de la masse initiale des arbres. Surface Boisée 1000 ans Surface Boisée 100 ans temps temps temps 34

35 Forme de la perturbation Écosystème terrestre Surface Boisée Continent temps Surface Boisée P minier temps 35

36 Forme de la perturbation On estime que 20% de la surface boisée a été transformée. Donner l'allure des variations des volumes des différents réservoirs qui varient dans les trois cas suivants. La masse des végétaux ayant remplacé les arbres représente 20% de la masse initiale des arbres. Surface Boisée 50 ans 1 an 1000 ans Surface Boisée Surface Boisée a) temps b) temps c) temps Durée de vie de P dans la biosphère: 47 ans a) Le stock biosphère va se contracter d'un seul coup de 20% de 3000 Mt soit 600 Mt qui vont faire un flux transitoire. On va retrouver un état stationnaire dans la biosphère avec 2400 Mt au lieu de 3000, le continent va passer de à qui vont s'équilibrer au fil du temps c) On reste très proche de l'état stationnaire pendant toute la transition 36

37 Couplage des cycles: photosynthèse dans le phytoplancton 37

38 Couplage des cycles: photosynthèse dans le phytoplancton Alfred Redfield C:N:P 106:16:1 38

39 Stock Mt Flux Mt/an Le cycle du phosphore Écosystème terrestre 3000 Atmosphère Continent Océan de surface Océan profond: Écosystème marin P minier Sédiments

40 Influence des métaux trace Océan de surface Océan profond: Écosystème marin

41 Influence des métaux trace Océan de surface Océan profond: Écosystème marin Fe N C 41

42 Influence des métaux trace Océan de surface Océan profond: Écosystème marin Fe N C 42

43 Zone HNLC: Azote assimilable 43

44 Zone HNLC: Phosphore 44

45 Facteur limitant Limitation? 45

46 Contrôle du flux d'export de C, N et P par le fer 46

47 Rétroactions 47

48 Le cycle du carbone (GT, GT/an) Charbon pétrole gaz Atmosphère: CO Biosphère Océan de surface 1023 (HCO 3- ) + 3 (organique) sols Océan profond (HCO 3- ) (organique) Carbonates

49 "Effet de serre" Energie solaire Surface de la terre 49

50 "Effet de serre" Rayonnement infrarouge Energie solaire Surface de la terre 50

51 "Effet de serre" Rayonnement infrarouge Energie solaire Surface de la terre Equilibre thermmique: rayonnement émis = énergie reçue 51

52 "Effet de serre" Ecran aux IR Rayonnement infrarouge Energie solaire Surface de la terre Equilibre thermmique: rayonnement émis = énergie reçue T augmente pour passer l'écran 52

53 Température des océans Si T augmente, l'équilibre CO 2 (gaz) + H 2 O = HCO H + est déplacé vers la gauche Le flux montant de CO2 de l'océan vers l'atmosphère augmente La quantité de CO2 atmosphérique augmente L'écran aux IR s'opacifie La température de l'océan augmente, etc... Rétroaction positive (amplification de la cause) 53

54 Heureusement, il existe des rétroactions négatives sur le cycle du carbone 54

55 Au travail On considère le système Océan/Sédiment/Atmosphère. Le volume des océans est d'environ 1, km 3, et l'atmosphère 2, km 3. Les rivières apportent à l'océan km 3 d'eau par an et les pluies Ces rivières contiennent en moyenne 7,2 mg/l d'ions Na +, 8,3 mg/l d'ions Cl et 10,4 mg/l de SiO 2. Les pluies contiennent très peu de silice, mais des quantités similaires en ion chlorure et sodium. 1/ Quel est le volume d'eau qui s'évapore chaque année (exprimé en eau liquide)? 2/ Si on condensait toute l'eau de l'atmosphère, on obtiendrait km 3 de liquide. Calculer la durée de vie de l'eau dans l'atmosphère. 3/ On note dans l'eau de mer des concentrations en silice variant entre 30 et 5000 µg/l, alors qu'elles sont stables à respectivement 19 et 11 g/l pour le chlore et le sodium. Expliquer ce comportement différent de la silice, du chlore et du sodium. Une partie de la réponse consiste à calculer le temps de résidence de ces trois éléments dans l'océan. 4/ En pratiquant des mesures à l'aide de pièges à sédiments, on note un flux de silice supérieur à celui apporté par les rivières. Proposer une explication pour cette différence. 55

56 Suite La moyenne des concentrations en élément phosphore dissout dans l'eau des océans est de 0.2 µmol.l 1 en surface et de 2.5 µmol.l 1 en profondeur, alors que la salinité de l'eau ne varie que très peu. Expliquez cette différence à l'aide du cycle du phosphore. Pourquoi les cycles du phosphore, du fer et de la silice sont fortement couplés dans l'océan et pas sur les continents? 56

57 Suite La moyenne des concentrations en élément phosphore dissout dans l'eau des océans est de 0.2 µmol.l 1 en surface et de 2.5 µmol.l 1 en profondeur, alors que la salinité de l'eau ne varie que très peu. Expliquez cette différence à l'aide du cycle du phosphore. En surface le phosphore est absorbé par la biomasse Océan de surface Océan profond: Écosystème marin

58 Suite Pourquoi les cycles du phosphore, du fer et de la silice sont fortement couplés dans l'océan et pas sur les continents? Sur les continents, c'est souvent P qui est limitant et pas Si ni Fe. Les variations de Fe et Si n'ont pas d'influence sur la biomasse alors que les variations de P participent au contrôle de la biomasse Dans l'océan, les 3 sont liés par les rapports de Redfield, ils agissent sur la biomasse en co-limitation qui exerce alors un contrôle sur ces 3 éléments. 58

59 Image de fond Port aux Français, Archipel des Kerguelen 59