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GÉOCHIMIE MARINE
8.4. Vitesse des transferts de gaz à l’interface air-mer
Dans l’atmosphère et dans l’océan, les mouvements de matière sont dominés par la
turbulence. Cependant, il existe à l’interface océan-atmosphère une couche limite dans
laquelle l’écoulement est laminaire .j Les transferts de matière à travers cette couche se font
par diffusion moléculaire. Bien que d’épaisseur de cette couche ne soit que de l’ordre de
quelques dizaines de micromètres, la lenteur de la diffusion moléculaire limite les échanges
entre l’océan et l’atmosphère. Une des paramétrisations de ces échanges se fait en considérant que l’air et l’eau de mer sont séparés par un « film stagnant » liquide de quelques
dizaines de micromètres d’épaisseur (Figure 8.8) à travers lequel les molécules de gaz se
déplacent seulement par diffusion moléculaire (voir chapitre 6).
COi
dans 1 océan de surface est differente 1cc,2
, il y a une différence de
la concentration du gaz dissous entre le sommet et la base du film stagnant. A l’état stationnaire, le gradient de concentration dans le film est constant. Le flux net de gaz est dû à la
diffusion moléculaire. Il est donné par l’équation (chapitre 6, équation 6.16) :
Dco
F =
(ICOJ-ICOJ-)
F = - aCOi
ÛCO2 / p eau de mer p atmosphère
co2
-1 co2
(8.17)
(8.18)
Où Dco est le coefficient de diffusion moléculaire du CO,, aco le coefficient de solubilité,
Az 1 épaisseur du film stagnant, [CO2] la concentration en gaz dissous etsat correspond à sa
valeur à l’équilibre avec l’atmosphère. Dco et [CO2]sal étant connu, la difficulté est de déterminer Az. Différentes méthodes sont utilisées : certaines sont basées sur le bilan des flux de
gaz radioactifs naturels comme 222Rn (chapitre 4), d’autres sur des mesures en souffleries ou
encore de diffusion vers l’atmosphère de composés volatils injectés artificiellement dans l’eau
(Exercice d approfondissement 1 du chapitre 6). Le bilan des flux de l4C naturel à l’interface océan-atmosphère permet d’estimer l’épaisseur moyenne du film stagnant à la surface
de 1 océan (Figure 8.9), alors que l’étude de la pénétration du 14C anthropique permet des
études à l’échelle locale.
Figure 8.8. Transfert de gaz
à la surface de l’océan.
À la base du film stagnant, la concentration en gaz est égale à celle de la
couche mélangée. Au sommet du film
stagnant, la concentration est à l’équilibre avec l’atmosphère. Si ces deux
concentrations sont différentes, il y a un
flux net de gaz par diffusion des molécules à travers le film.
GÉOCHIMIE MARINE
8.4. Vitesse des transferts de gaz à l’interface air-mer
Dans l’atmosphère et dans l’océan, les mouvements de matière sont dominés par la
turbulence. Cependant, il existe à l’interface océan-atmosphère une couche limite dans
laquelle l’écoulement est laminaire .j Les transferts de matière à travers cette couche se font
par diffusion moléculaire. Bien que d’épaisseur de cette couche ne soit que de l’ordre de
quelques dizaines de micromètres, la lenteur de la diffusion moléculaire limite les échanges
entre l’océan et l’atmosphère. Une des paramétrisations de ces échanges se fait en considérant que l’air et l’eau de mer sont séparés par un « film stagnant » liquide de quelques
dizaines de micromètres d’épaisseur (Figure 8.8) à travers lequel les molécules de gaz se
déplacent seulement par diffusion moléculaire (voir chapitre 6).
COi
dans 1 océan de surface est differente 1cc,2
, il y a une différence de
la concentration du gaz dissous entre le sommet et la base du film stagnant. A l’état stationnaire, le gradient de concentration dans le film est constant. Le flux net de gaz est dû à la
diffusion moléculaire. Il est donné par l’équation (chapitre 6, équation 6.16) :
Dco
F =
(ICOJ-ICOJ-)
F = - aCOi
ÛCO2 / p eau de mer p atmosphère
co2
-1 co2
(8.17)
(8.18)
Où Dco est le coefficient de diffusion moléculaire du CO,, aco le coefficient de solubilité,
Az 1 épaisseur du film stagnant, [CO2] la concentration en gaz dissous etsat correspond à sa
valeur à l’équilibre avec l’atmosphère. Dco et [CO2]sal étant connu, la difficulté est de déterminer Az. Différentes méthodes sont utilisées : certaines sont basées sur le bilan des flux de
gaz radioactifs naturels comme 222Rn (chapitre 4), d’autres sur des mesures en souffleries ou
encore de diffusion vers l’atmosphère de composés volatils injectés artificiellement dans l’eau
(Exercice d approfondissement 1 du chapitre 6). Le bilan des flux de l4C naturel à l’interface océan-atmosphère permet d’estimer l’épaisseur moyenne du film stagnant à la surface
de 1 océan (Figure 8.9), alors que l’étude de la pénétration du 14C anthropique permet des
études à l’échelle locale.
Figure 8.8. Transfert de gaz
à la surface de l’océan.
À la base du film stagnant, la concentration en gaz est égale à celle de la
couche mélangée. Au sommet du film
stagnant, la concentration est à l’équilibre avec l’atmosphère. Si ces deux
concentrations sont différentes, il y a un
flux net de gaz par diffusion des molécules à travers le film.