The role of oceanic mesoscale in the tropical Atlantic Ocean on salinity and air-sea CO2 flux - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

The role of oceanic mesoscale in the tropical Atlantic Ocean on salinity and air-sea CO2 flux

Rôle de la mésoéchelle dans l'océan Atlantique tropical sur la salinité et les flux air-mer de CO2

Résumé

The tropical Atlantic Ocean (TAO) controls exchanges from one hemisphere to the other and is a place of strong interactions with the atmosphere. The TAO is home to five of the world's largest rivers as well as intense rainfall in the intertropical convergence zone (ITCZ). This induces large spatial variability of salinity and of air-sea CO2 flux. While the global ocean is a strong CO2 sink, the TAO is a strong source of CO2 to the atmosphere due to the deep waters rich in inorganic carbon upwelled to the surface at the equator. However, this source is mitigated by the low CO2 concentrations in the Amazon River plume whose freshwater is low in inorganic carbon and favours phytoplankton blooms. It is in this context that propagate the tropical instability waves (TIWs) and the North Brazil current (NBC) rings, the two dominant mesoscale forms in the TAO. The objective of this work is to describe and understand the variability of the surface salinity and CO2 fluxes associated with the mesoscale. In-situ observations collected during cruises and Argo floats are coupled to surface satellite salinity, temperature and chlorophyll-a. In the equatorial Atlantic the salinity gradient between the fresh water from rainfall under the ITCZ and the salty water of the equatorial upwelling is very strong in May-June. The TIWs strongly distort this gradient, and are therefore particularly well observed in surface salinity. The observation of TIWs in salinity provides complementary information to their observation in surface temperature on their seasonal and interannual variability. Furthermore, salinity does not only play the role of a passive tracer, as together with temperature, it determines the seawater surface density. This affects the energy that allows TIWs to develop and propagate. One of the energy sources is the potential energy generated by the deformation of the density gradient. The effect of salinity on this energy is as strong as that of temperature, which means that by adding the contribution of salinity, the potential energy is doubled. TIWs modify and are modified by the salinity in the equatorial Atlantic. On the western edge of the basin, the Amazon plume results in even more salinity variability than in the equatorial Atlantic. The NBC rings, eddies that are 200 km in diameter, are highly contrasted structures. They trap the salty, CO2-rich waters of the NBC, but their rotation stirs water from the Amazon plume. The fresh water of the plume enhances the exchanges of CO2 and heat with the atmosphere. The northwestern TA in February 2020 was found to be a CO2 sink 10 times stronger than expected, and more than 40% of this flux is due to the effect of eddies. Their role is twofold, on the one hand they stir the plume which becomes a strong carbon sink, but also, they do not retain the CO2-rich surface signature of the waters they trap, and instead often stir freshwater filaments. The situation in summer is very different from the one in winter. The NBC changes its orientation by 90° and instead of following the South American coastline, it flows towards Africa. The NBC passes the mouth of the Amazon that is close to its maximum discharge and advects the plume eastwards. However, the NBC rings and the winds change this classical pattern. The formation and propagation of eddies make the plume discontinuous, and the winds favour a northwestward transport of fresh water. Thus, in August -September, whereas part of the plume indeed flows eastwards, another part is advected towards the Lesser Antilles. Particularly strong examples of this were observed in late summer 2021. This work shows the importance of the oceanic mesoscale for understanding key phenomena, such as the propagation of the TIWs and of the Amazon plume and the TAO carbon budget.
L'océan Atlantique tropical contrôle les échanges d'un hémisphère à l'autre et est un lieu de fortes interactions avec l’atmosphère. Cinq des plus grands fleuves du monde s'écoulent dans cet océan et la zone de convergence intertropicale (ITCZ) y est une source d’intenses précipitations. Cela induit une grande variabilité de la salinité et des flux air-mer de CO2. Alors que l'océan global est un fort puits de CO2, cette région est une source importante de CO2 en raison des eaux profondes riches en carbone inorganique qui remontent à la surface au niveau de l'équateur. Cependant, ce phénomène est atténué par le panache de l’Amazone, dont les eaux douces sont pauvres en carbone inorganique, riches en nutriments et favorisent le développement du phytoplancton. C'est dans ce cadre que se propagent les ondes tropicales d’instabilité (TIW) et les anneaux du courant Nord Brésil (NBC), les deux formes de mésoéchelle dominantes de l’Atlantique tropical. L'objectif de ce travail est de décrire et de comprendre la variabilité de la salinité et des flux air-mer de CO2 associée à la mésoéchelle. Pour cela, des observations in-situ sont couplées à des données satellitaires de salinité, température et chlorophylle-a de surface. Dans l'Atlantique équatorial, le gradient de salinité entre l'eau douce provenant des précipitations sous l’ITCZ et l'eau salée de l'upwelling équatorial est très fort en mai-juin. Les TIW déforment ce gradient, et l’observation de leur signature en salinité fournit des informations sur leur variabilité saisonnière et interannuelle complémentaires à celles de la température de surface. La salinité couplée à la température détermine les contrastes de densité de surface, ce qui influence l’énergie associée aux TIW. Le gradient horizontal de salinité contribue à la moitié de l’énergie potentielle générée par la déformation du gradient horizontal de densité. Ainsi, les TIW modifient et sont modifiés par les contrastes de salinité dans l'Atlantique équatorial. Sur le bord ouest du bassin, le panache de l'Amazone induit une variabilité de la salinité encore plus importante que celle observée dans l'Atlantique équatorial. Les anneaux du NBC, tourbillons de 200 km de diamètre, sont des structures très contrastées. Ils piègent les eaux salées et riches en CO2 du NBC, mais leur rotation advecte l’eau peu salée et appauvrie en CO2 du panache de l'Amazone. L'eau du panache renforce donc les échanges de CO2 et de chaleur entre l’océan et l'atmosphère. En février 2020, l'Atlantique tropical nord-ouest est un puits de carbone 10 fois plus fort qu'anticipé, et cela est dû à plus de 40% à l'effet des tourbillons. Leur rôle est double, d'une part ils entrainent le panache qui devient un fort puits de carbone, et d'autre part, ils ne gardent pas la signature de surface riche en CO2 des eaux qu'ils piègent. La situation en été est très différente de celle en hiver. Le NBC change son orientation de 90° et au lieu de suivre la côte sud-américaine, il s’écoule vers l'Afrique. Il passe au large de l’embouchure du fleuve Amazone, qui a alors un fort débit, et devrait entraîner le panache vers l'est. Cependant, les anneaux du NBC et les vents modifient ce schéma. La formation et la propagation de tourbillons interrompent cette circulation, et les vents favorisent un transport d'eau douce vers le nord-ouest. Ainsi, en août-septembre, alors qu'une part du panache est entrainée vers l'est, une autre part est advectée vers les Petites Antilles. L'été 2021 présente des exemples particulièrement forts de ce phénomène. Ces travaux montrent l'importance de la méso-échelle océanique pour la compréhension de phénomènes clés, comme la propagation des ondes tropicales d’instabilité, du panache de l'Amazone et le flux de CO2 dans l’océan Atlantique tropical.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04166813 , version 1 (20-07-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04166813 , version 1

Citer

Léa Olivier. The role of oceanic mesoscale in the tropical Atlantic Ocean on salinity and air-sea CO2 flux. Earth Sciences. Sorbonne Université, 2023. English. ⟨NNT : 2023SORUS149⟩. ⟨tel-04166813⟩
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