Uncertainties associated with in situ high-frequency long-term observations of suspended particulate matter concentration using optical and acoustic sensors
Measurement of suspended particulate matter concentration (SPMC) spanning large time and geographical scales have become a matter of growing importance in recent decades. At many places worldwide, complex observation platforms have been installed to capture temporal and spatial variability over scales ranging from cm (turbulent regimes) to whole basins. Long-term in situ measurements of SPMC involve one or more optical and acoustical sensors and, as the ground truth reference, gravimetric measurements of filtered water samples. The estimation of SPMC from optical and acoustical proxies generally results from the combination of a number of independent calibration measurements, as well as regression or inverse models. Direct or indirect measurements of SPMC are inherently associated with a number of uncertainties along the whole operation chain, the autonomous field deployment, to the analyses necessary for converting the observed proxy values of optical and acoustical signals to SPMC. Controlling uncertainties will become an important issue when the observational input comprises systems of sensors spanning large spatial and temporal scales. This will be especially relevant for detecting trends in the data with unambiguous statistical significance, separating anthropogenic impact from natural variations, or evaluating numerical models over a broad ensemble of different conditions using validated field data. The aim of the study is to present and discuss the benefits and limitations of using optical and acoustical backscatter sensors to acquire long-term observations of SPMC. Additionally, this study will formulate recommendations on how to best acquire quality-assured SPMC data sets, based on the challenges and uncertainties associated with those long-term observations. The main sources of error as well as the means to quantify and reduce the uncertainties associated with SPMC measurements are also illustrated.
(Progress in Oceanography. vol. 178, n° 0079-6611, pp. 102162, 01/11/2019)
DYNECO, IFREMER, M2C, UNICAEN, NU, INSU - CNRS, UNIROUEN, NU, CNRS, GéHCO, UT, SHOM, IRSNB / RBINS, GKSS, EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS
Glacial-interglacial dust and export production records from the Southern Indian Ocean
(Earth and Planetary Science Letters. vol. 525, n° 0012-821X, pp. 115716, 01/11/2019)
OCCR, UNIBE, UFZ, EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS, LSCE, UVSQ, INSU - CNRS, CNRS, DRF (CEA), CEA, CLIMAG, LSCE, UVSQ, INSU - CNRS, CNRS, DRF (CEA), CEA, PALEOCEAN, LSCE, UVSQ, INSU - CNRS, CNRS, DRF (CEA), CEA
Morphological changes in a cuspate sandy beach under persistent high-energy swells: Reñaca Beach (Chile)
The present work proposes a morphological evolution model for sandy cuspate beaches, which depends on two parameters, swash excursion (S) and offshore wave steepness (H0/L0). The model was derived from observations of morphology and wave climate at Reñaca Beach in central Chile, comprising in-situ instrumentation, topographic surveys, wave modeling, and optical imagery. It was found that wave steepness alone was unable to explain the morphological changes observed on the beach. Rather, results indicate that swash excursion is better to distinguish between erosive and accretionary events, with swash excursion exceeding 29.5 m for more than 12 h being indicative of erosive events. While morphological changes are led by S, wave steepness correlates with the erosive potential of waves, especially when H0/L0 is greater than 0.017. Although derived for a specific beach under a limited range of conditions, this work adds to the understanding of the dynamic behavior of beaches exposed to persistent high-energy swells.
(Marine Geology. vol. 417, n° 0025-3227, pp. 105988, 01/11/2019)
PUC, CIGIDEN, PUC, MERIC, UTFSM, LMFA, ECL, UCBL, INSA Lyon, INSA, CNRS, EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS
Quantifying bioturbation across coastal seascapes: Habitat characteristics modify effects of macrofaunal communities
(Journal of Sea Research (JSR). vol. 152, n° 1385-1101, pp. 101766, 31/10/2019)
EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS
Impact of freshwater release in the Mediterranean Sea on the North Atlantic climate
Sediment cores from the Mediterranean Sea have evidenced several periods of Sapropel deposition, which can be explained by events of anoxic bottom conditions. An explanation for such events calls for a very stratified sea, possibly related with freshwater input through increased precipitations and runoff discharges. It has been suggested that such a stratified Mediterranean Sea may in turn weaken the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) through changes in the Mediterranean overflow water (MOW). Nevertheless, models used to establish this result were relatively simple and the mechanisms leading to such an impact remained elusive. To improve on those previous studies, we analyse the impact of different freshwater releases with rates of 0.2, 0.1, 0.05 and 0.02 Sv (1 Sv=10 6 m 3 /s) in the Mediterranean Sea using the IPSL-CM5A-LR model in a few multi-centennial simulations. We focus the analysis on the impact of a decrease in the Mediterranean overflow water (MOW) on the large-scale Atlantic circulation. We find a consistent change in horizontal currents in the upper Atlantic Ocean in all simulations in the first century, with a large enhancement of the northward current west of Rockall in the northeast Atlantic. Concerning the AMOC response, we identify three different processes that impact its fate. The first is related to changes in geostrophic currents at depth induced by the disappearance of the MOW, which tends to weaken the AMOC. On the contrary, the second enhances the AMOC and is associated with the increase in northward currents in the horizontal upper circulation. The last process is due to the spread of surface freshwater anomalies out of the Mediterranean Sea that freshens the North Atlantic convection sites and weakens the AMOC. Depending on the rate of the freshwater release, the strength and balance of these three processes are different. For rates larger than 0.05 Sv, we observe a strong reduction of the AMOC, while for lower rates, we notice an enhancement in the upper cell. The climatic response follows that of the upper AMOC with a warming of the North Atlantic for rates lower than 0.05 Sv and a cooling for higher rates. Given that past estimates of freshwater release in the Mediterranean Sea indicate rates lower than 0.05 Sv, we argue that Sapropel events may have enhanced of the upper AMOC and warmed of the North Atlantic. 2
(Climate Dynamics. vol. 53, n° 0930-7575, pp. 3893-3915 (IF 4,708), 29/10/2019)
EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS, GEOPS, UP11, CNRS, LSCE, UVSQ, INSU - CNRS, CNRS, DRF (CEA), CEA
Nanoplastic contamination of mangrove meiofauna communities
(21/10/2019)
ISYEB, MNHN, EPHE, PSL, SU, CNRS, UA, EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS, GR, UR, INSU - CNRS, CNRS
Mediterranean Outflow Water and contourite depositional systems in the Gulf of Cadiz
The Contourite Depositional Systems (CDS) in the Gulf of Cadiz are unique archives of the Mediterranean Outflow Water (MOW) variability since the Gibraltar gateway opening. These CDS have been generated by the upper and lower paths of the MOW, MUW and MLW respectively. These CDS have been drilled during the IODP Expedition 339 (2011-2012), offering a new data set over a longer period, allowing comparisons between recent and older climatic cycles, in sites both under the MUW and MLW cores. This work provides results of a detailed sedimentological and facies analysis of different CDS in the Gulf of Cadiz, using mainly grain size, grain sources (petrography of sands and clay assemblages), natural gamma ray data, and XRF results from specific intervals. Downhole and core gamma ray data coupled to grain-size results provided a regional scale chronostratigraphic framework for the CDS contourite deposits and hiatuses at the regional scale. These long sedimentary records provide an overview of the behavior and circulation regime of the MOW over the large changes in climate and sea-level cyclicities and especially over two periods: the last climatic cycle MIS1-MIS2 and at the mid-Brunhes Event (MIS10-12) which is an analog of the last cycle. One of the defining characteristics of contourite systems is the marked cyclicity in grain-size and related sediment properties. Drilling in the Gulf of Cadiz during IODP 339 recovered over 4.5 km of contourites with over 600 distinct contourite sequences. These show irregular cyclicity, much variation in thickness (0.5-4.0 m) and estimated duration (4-10 ky). Approximately 60% are bi-gradational sequences, whereas the rest are partial sequences. Three principal controls have been considered as likely causes for the sequences: (a) long-term variation in bottom-current velocity; (b) episodic lateral influx of clastic material; and (c) variation in vertical supply of biogenic material. The bi-gradational sequence, particularly for the muddy drift sites, validate the primary control exerted by long-term variation in bottom-current velocity. The high degree of cycle correlation between adjacent sites further supports this contention. A secondary control of lateral clastic supply is more evident for the proximal sandy contourite sites, and for partial base-cut sequences. Work is in progress on cycle duration and sediment sources.
(16/10/2019)
EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS, INSU - CNRS, UM, CNRS, UA, LOG, INSU - CNRS, ULCO, CNRS, IRD [Ile-de-France]
Carbon and silica megasink in deep-sea sediments of the Congo terminal lobes
Carbon and silicon cycles at the Earth surface are linked to long-term variations of atmospheric CO2 and oceanic primary production. In these cycles, the river-sea interface is considered a biogeochemical hotspot, and deltas presently receive and preserve a major fraction of riverine particles in shallow water sediments. In contrast, periods of glacial maximum lowstand were characterized by massive exports of sediments to the deep-sea via submarine canyons and accumulation in deep-sea fans. Here, we calculate present-day mass balances for organic carbon (OC) and amorphous silica (aSi) in the terminal lobe complex of the Congo River deep-sea fan as an analogue for glacial periods. We show that this lobe complex constitutes a megasink with the current accumulation of 18 and 35% of the OC and aSi river input, respectively. This increases the estimates of organic carbon burial by 19% in the South Atlantic Ocean in a zone representing less than 0.01% of the basin. These megasinks might have played a role in carbon trapping in oceanic sediments during glacial times.
(Quaternary Science Reviews. vol. 222, n° 0277-3791, pp. 105854, 15/10/2019)
LSCE, UVSQ, INSU - CNRS, CNRS, DRF (CEA), CEA, OCEANIS, LSCE, UVSQ, INSU - CNRS, CNRS, DRF (CEA), CEA, GM, IFREMER, iSTeP, INSU - CNRS, SU, CNRS, LEMAR, IRD, IFREMER, UBO EPE, CNRS, LGO, UBS, IFREMER, UBO EPE, CNRS, LEP, EEP, IFREMER, EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS, LECOB, SU, CNRS, OOB, SU, CNRS, HCMR, ISTEP-PPB, iSTeP, INSU - CNRS, SU, CNRS
Rôles des facteurs environnementaux et des interactions biomorphodynamiques sur l’évolution spatio-temporelle des herbiers de zostères dans une lagune mésotidale.
Les phanérogames marines constituent un compartiment biologique fondamental et fournissent de nombreux services écosystémiques. Comprendre leur évolution et les interactions avec leur environnement physique est un enjeu scientifique majeur à l’échelle mondiale. Dans le bassin d’Arcachon, des herbiers de Zostera noltei (le plus grand d’Europe) et de Zostera marina ont vu leur surfaces régresser fortement ces deux dernières décennies. La régression s’est accompagnée d’une augmentation des concentrations en sédiments en suspension et de modifications morphologiques significatives. Dans ce contexte, et à travers cet exemple régional, les objectifs de la thèse sont de mieux comprendre les causes physiques de la régression des herbiers de zostères et de démêler et de quantifier les conséquences physiques de la régression et les effets de rétrocontrôle.Un monitoring exhaustif des herbiers (suivi des paramètres biologiques, chimiques et physiques sur neuf sites durant une année) a montré d’une part l’extrême variabilité des conditions environnementales auxquelles sont soumis les herbiers de zostères naines du Bassin et d’autre part d’importantes différences démographiques, morphologiques et biochimiques entre les plantes des différents sites. Certaines de ces différences reflètent leur capacité d’adaptation à l’intensité d’un forçage. Un modèle logistique croissance a montré qu’outre la lumière, les paramètres principaux qui contrôlent le développement de Z. noltei à l’échelle du Bassin sont les forçages hydrodynamiques. Toutefois à l’échelle locale, d’autres facteurs tels que la teneur en matière organique ou la microtopographie s’avèrent prépondérants.Dans un second temps, une analyse associant des données historiques et des scénarios de modélisation hydrodynamique a montré que la profondeur maximale colonisée par les deux espèces de zostères avait fortement diminué entre 1989 et 2016, suggérant un effet du manque de lumière sur l’évolution de la distribution des deux espèces. Par ailleurs, il s’est avéré que la régression des zostères naines avait débuté au niveau des zones les plus pentues des estrans, qui correspondent aux rebords des chenaux et sont donc soumises aux courants les plus intenses, suggérant là encore un effet de l’intensité des courants sur la distribution de Z. noltei.Les résultats des simulations numériques ont montré que la régression des deux espèces induit une augmentation importante de l’énergie hydrodynamique, non seulement localement dans les zones où les herbiers ont régressé, mais également à distance, au niveau des chenaux principaux et jusqu’à près de l’embouchure.De plus, les effets hydrodynamiques induits par la régression initiale de Z. marina (1989-2007) ont contribué à la première phase du déclin des herbiers de Z. noltei. Ces résultats confirment en partie l’hypothèse que des processus de rétrocontrôle entre hydrodynamique et régression des herbiers de zostères sont intervenus au cours de la première phase du déclin des zostères. Par ailleurs, les conséquences hydrodynamiques directes de la première phase de régression des deux espèces (1989-2007) expliquent plus de 75 % de la seconde phase de régression de Z. noltei (2007-2012). Ces résultats confirment pleinement l’existence des processus de rétrocontrôle et met en évidence leur rôle prépondérant sur la dynamique des herbiers de Z. noltei.En ce qui concerne Z. marina, il apparaît enfin que les conditions actuelles ne permettent pas sa reconquête des zones d’où elle a disparu. Au contraire, du fait de sa position intertidale la rendant moins sensible aux fortes turbidités, Z. noltei pourrait recoloniser un certain nombre d’estrans qui leur sont favorables sur le plan hydrodynamique. Ce processus de recolonisation, conduisant à une réduction de l’énergie hydrodynamique et à l’amélioration locale des conditions lumineuses, pourrait s’auto-amplifier de proche en proche et favoriser la reprise de Z. marina dans les chenaux.
(09/10/2019)
EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS
Lacs Aquitains et mercure
En 2013, une étude de l'ANSES sur la contamination par le mercure (Hg) des poissons des quatre plus grands lacs aquitains (Hourtin-Carcans, Lacanau, Cazaux-Sanguinet et Parentis-Biscarrosse) a montré que les concentrations de mercure chez le sandre (Sander lucioperca) des lacs d’Hourtin-Carcans et de Lacanau dépassaient la recommandation alimentaire de l’OMS de 0,5 mg Hg.kg-1 poids frais (WHO 1990). Cette contamination pouvant constituer un risque potentiel pour la santé humaine, un arrêté préfectoral a été émis interdisant la consommation de sandres pêchés dans ces lacs. L’objectif principal de cette étude est de comprendre l’origine de cette contamination. Les résultats obtenus montrent un gradient croissant des concentrations en Hg du sud vers le nord, dans la chair des poissons piscivores. Les concentrations en Hg atmosphérique mesurées ponctuellement ou accumulées dans les bryophytes terrestres (mousses) autour des lacs sont caractéristiques d’environnements dits « éloignés et vierges » de toutes sources significatives de contamination. D'autres facteurs pouvant expliquer ce gradient de contamination chez les poissons ont été étudiés comme le rôle des plantes aquatiques. Aucun des facteurs étudiés ne peut expliquer ces différences. Seul un important gradient de sulfate sud-nord a été identifié dans les eaux et les sédiments des quatre lacs. La présence de ces sulfates favorise le développement de microorganismes sulfato-réducteurs responsables de la production de méthylmercure. Cette production accrue de méthylmercure dans les lacs médocains (Hourtin-Carcans et Lacanau) semble responsable de la forte accumulation de ce métal dans les poissons piscivores de ces lacs. La production de cette forme organique du Hg se fait principalement au niveau du biofilm périphytique présent à la surface des plantes et du sédiment organique. L’excès de sulfate dans les lacs médocains provient du bassin versant, et en particulier des zones agricoles. Les risques sanitaires liés à la consommation de poissons carnivores des lacs médocains sont avérés et leur consommation est fortement déconseillée pour les personnes les plus vulnérables (femmes enceintes et enfants). Les autres personnes adultes peuvent les consommer raisonnablement.
(Dynamiques Environnementales - Journal international des géosciences et de l’environnement, n° 1968-469X, pp. 97-123, 06/10/2019)
EPOC, EPHE, PSL, UB, INSU - CNRS, CNRS, ECLA, USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry], INRAE, OFB, UR EABX, IRSTEA, IPREM, UPPA, INC-CNRS, CNRS