Émissions toxiques de sulfure d'hydrogène détectées par satellite et leurs forçages en milieu côtier
Publié par Isabelle le 09/05/2018 à 12:00
Source: CNRS-INSU
Le sulfure d'hydrogène est un gaz toxique pour les ressources halieutiques, responsable de catastrophes écologiques naturelles (échouages massifs d'organismes marins sur les plages) et de pertes économiques importantes pour les pays riverains comme la Namibie et l'Afrique (D’une superficie de 30 221 532 km2 en incluant les îles, l’Afrique est un continent couvrant 6 % de la surface terrestre et 20,3 % de...) du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) bordés par le système d'upwelling (La Remontée d'eau[1] (Upwelling en anglais) est un phénomène océanographique qui se produit lorsque de forts vents marins (généralement des vents saisonniers) poussent l'eau de surface des océans...) du Benguela.

À l'aide de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) satellitaires multi-capteurs, deux chercheurs du Laboratoire d'Études en géophysique et océanographie (L’océanographie (de « océan » et du grec γρ?φειν / gráphein, écrire) est l'étude des océans et des mers...) spatiales (LEGOS/OMP, UPS / CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public...) / CNES / IRD) ont mis en évidence l'importance relative des forçages locaux (vents) et à distance (courants et ondes) dans la formation de panaches de soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) de l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en permanence renouvelée par des courants...) et amélioré la détection de ces panaches. Cette étude permettra à terme un suivi et une prévision par satellite (Satellite peut faire référence à :) de ces émissions toxiques amenées à s'intensifier en réponse au réchauffement global.



Poissons et crustacés (Les crustacés (Crustacea) sont des arthropodes, c'est-à-dire des animaux dont le corps est revêtu d’un exosquelette chitinoprotéique appelé cuticule et souvent...) morts sur les plages d'Afrique du Sud liés à des émissions de H2S (photos de G. Pitcher, DAFF, Cape Town (La classe de croiseurs légers britanniques Town (ville en anglais), fut produite juste avant et pendant la Première Guerre mondiale pour la Royal Navy et la Royal Australian Navy. Ils constituèrent un bon modèle de croiseur,...), South Africa, GrantP@daff.gov.za)

Le sulfure (En chimie, un sulfure est un composé chimique ou la combinaison de soufre avec un degré d'oxydation de -2, avec un autre élément chimique ou un...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), H2S, est un gaz toxique (Un gaz toxique est un gaz dont les propriétés toxiques sont utilisées comme arme lors de combats, ou contre des populations civiles (lors d'actes terroristes ou de...) qui dégage l'odeur caractéristique d'oeufs pourris. Les émissions de sulfure d'hydrogène peuvent se produire en milieu côtier sous certaines conditions, notamment lorsque la production primaire (photosynthèse) est très forte. En raison de la sédimentation de la matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par des êtres vivants , végétaux, animaux, ou micro-organismes. Il s'agit par exemple des glucides, protides et...) et de sa reminéralisation en présence d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), une zone de minimum d'oxygène (OMZ) peut se développer avec des concentrations en nitrates très réduites par le processus de dénitrification. Dans de telles conditions, des émissions de H2S peuvent se produire près du sédiment par l'action de bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire...) sulfato-réductrices. Ces émissions sont aussi associées à des émissions de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel...) qui s'accumule sous forme de poches dans les sédiments, conduisant à de véritables éruptions de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...) sous pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) vers la colonne d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). En présence de conditions d'upwelling (entraînant les masses d'eau vers la surface océanique), ce H2S peut alors dégazer vers l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :).

C'est le cas du système d'upwelling de bord est du Benguela, dont la production primaire est l'une des plus fortes de l'océan global. Dans la partie nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) de ce système, au large de la Namibie, les émissions de sulfure d'hydrogène et les panaches de soufre sont des événements que l'on ne trouve nulle part ailleurs dans l'océan mondial avec une telle intensité. Ils ont des effets toxiques sur l'écosystème marin et ont un impact direct sur les cycles biogéochimiques: lorsque H2S est produit et consommé dans l'OMZ, plusieurs réactions biogéochimiques ont une influence immédiate sur les cycles de l'oxygène, du soufre et de l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant majoritaire de...). Ces événements peuvent réduire les quantités de benthos (organismes marins proches du sédiment), de poissons et d'autres organismes marins, et causer la mortalité massive (Le mot massif peut être employé comme :) de poissons, huîtres, crabes et crevettes, importants pour l'économie locale. De plus, la population subit les nuisances dues à l'odeur nauséabonde et aux effets corrosifs.


(a): Image Sentinel-2 en vraie couleur (équivalent à la vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) humaine). Les panaches de soufre peuvent être identifiés par leur couleur turquoise. L'encadré noir & blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où l'image que l'on en...) montre la zone d'étude avec l'extension spatiale de l'image Sentinel-2. (b) et (c) Surface occupée par les panaches de soufre - Variabilité saisonnière (b) et interannuelle (c)

Les chercheurs du LEGOS ont étudié ces panaches dans les eaux côtières de surface de la Namibie dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) TOXIC-RISK. À l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en...) actuelle, il existe de grandes incertitudes dans la connaissance de ces événements sporadiques, et notamment leur variabilité temporelle ainsi que leur forçage (par des processus locaux ou à distance). Il existe peu d'études décrivant sur une longue période leur fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...), leur intensité et leur taille. Les chercheurs ont observé leur variabilité saisonnière et annuelle en utilisant des données satellite multi-capteurs combinées à des mesures in situ. Ils ont identifié les panaches de soufre (soufre élémentaire S0) associés aux émissions de H2S dans les données satellite de couleur de l'océan du spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de masse — en ses...) imageur à moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun...) résolution (MERIS) pour la période 2002-2012, en utilisant les différences dans les propriétés spectrales des différents constituants de l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.). Les données satellite de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de...) (dans l'infrarouge), de vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à tous les phénomènes...) (par diffusiomètre), d'anomalie de niveau de la mer (Le niveau de la mer est la hauteur moyenne de la surface de la mer, par rapport à un niveau de référence adéquat.) (par altimétrie) sont aussi utilisées avec des données in situ (température de surface, O2, H2S) afin d'identifier l'origine du forçage: local (vent) ou à distance (courants et ondes).

Le pic d'occurrence saisonnier des événements de soufre se produit entre la fin de l'été austral (Le mot austral (du latin australis) est un adjectif qualifiant ce qui se situe dans l'hémisphère sud.) et le début de l'automne (L'automne est l'une des quatre saisons des zones tempérées. Elle se place entre l'été et l'hiver.) austral, au début du cycle annuel d'upwelling lié à l'augmentation des alizés le long de la côte. L'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) des panaches de soufre est plus particulièrement élevée entre février et avril, pendant le minimum saisonnier d'oxygène. Ces concentrations faibles en oxygène sont dues à la ventilation réduite des eaux de fond avant la période maximum d'upwelling, ainsi qu'un appauvrissement en oxygène lié aux forçages à distance (position du front Angola/Benguela, masses d'eau, ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) piégées à la côte forcées par les ondes de Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non « Kelvin »).) équatoriales). De l'hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.) au début de l'été austral, le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'événements de soufre est moins important, en raison de l'intensification de l'upwelling et de l'augmentation de l'apport d'oxygène.

Aux échelles interannuelles, les événements soufrés apparaissent intensifiés pour les années 2004, 2005 et 2010, avec des périodes de faible activité pour les années 2002 à 2003, 2006 à 2009 et 2011 à 2012. Ce résultat peut s'expliquer par les contributions relatives du forçage à distance provenant de la zone équatoriale et du forçage local (vent). Ainsi, la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance donnant lieu...) d'apparition de panaches de soufre est supérieure pour les années présentant une intensité moyenne d'upwelling plus faible, une décroissance de l'apport d'oxygène liée à la diminution de la ventilation latérale des eaux de fond, une migration plus au sud du front Angola-Benguela, et une augmentation de l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) des ondes de downwelling piégées à la côte.

Cette étude de la variabilité et des processus de forçage des événements soufrés toxiques pour les ressources halieutiques aidera à les surveiller, les prévoir ainsi qu'à gérer leurs conséquences sociales et économiques dans le système d'upwelling du Benguela.

Ce projet TOXIC-RISK a été financé par l'Union européenne (programme Marie-Curie).

Référence publication:
Ohde T and Dadou I (2018): Seasonal and annual variability of coastal sulphur plumes in the northern Benguela upwelling system. PLoS ONE (PLoS One est une revue scientifique exclusivement en ligne couvrant tous les domaines de la biologie et de la médecine sans distinction, qui a été lancée à fin 2006. Un des objectifs de PLoS One est de proposer une approche...) 13 (2): e0192140. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0192140

Contacts chercheurs:
- Thomas Ohde, LEGOS/OMP
- Isabelle Dadou, LEGOS/OMP
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