Traceurs Radionuclides “Scavenging” et Soustraction

1. Traceurs Radionuclides “Scavenging” et Soustraction Ou comment comprendre la dynamique des particules et la chronométrer

2. Ce que nous allons voir.. • “Scavenging” = soustraction chimique et entrainement (Goldberg 1954) • Particules marines • Processus d’adsorption • Traceurs radionuclide tracers, cinétiques • 234Th  export flux from surface waters • 230Th  whole water column scavenging

3. Scavenging • Concentrations océaniques de nombreuxélémentschimiques plus faiblesquecequeleurs “flux d’apport” laisseraientsupposerFritz Haber (Nobel Prize in 1918) • “La grandeconspiration des particules” Karl Turekian (1977) • Particulesséquestrent les élémentsréactifs (Fe, Cu, Pb, Th, Pa, etc.) • Petites particules (0.01 – 100 μm) : grande surface de réaction pour séquestrer les élémentschimiques

4. Adsorption: une réaction reversible liquid chemisorption = inner-sphere complex, a strong chemical bond physisorption = outer-sphere complex, weaker electrostatic forces, van der Waal Les deux sont affectées par la force ionique…

5. Distributions verticalesConservatif vs. Scavenged Conservative element Concentration Profile Scavenged element Concentration Profile Depth Depth e.g., Na, K, Mg, Cs, Cl, SO4 …

6. A quoi ressemblentles particulesmarines? La majorité est microscopique: 0.1 - 100 µm

7. The “Fabulous Faecal Photo” from Debbie Steinberg

8. Marine snow aggregates Inanimate particles greater than 0.5 mm diameter The principal vehicles for downward particle flux From J. Murray

9. Le spectre de taille des particules est continu S.A. Mass Mass flux Les particules qui présentent la plus grande surface de contact et la plus grande masse ne sont pas celles qui chutent! Clegg and Whitfield 1990 (DSR)

10. La vie et la matière dans l’océan Catherine Jeandel, CNRS

11. Le couple Uranium -Thorium Dissous Particules Th insoluble U soluble 234Th, période 24 j: processus de surface 230Th, période 75 000a: processus profonds

13. Désintégration et production simultanée Evolution du fils au cours du temps Equilibre séculaire (si t très grand)

14. Fils Père Si P est constant autour du temps (fréquent)

15. Une analogie pour comprendre l’équilibre séculaire

20. 234Th : exemple de profil chute

21. 234Th / 238U Équilibre U-Th 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0 Déséquilibre U-Th = export de 234Th 200 Profondeur (m) Activité totale 400 600 particules dissous Export de 234Th = Export de carbone

22. Higher biomass - Higher flux Hawaii-Oligotrophic High recycling - low export) NW Pacific-Productive Low recycling - high export Vertical line = Uranium-238 activity Buesseler et al., DSR 2009

23. Le 234Th : traceur de l’export de carbone organique K.Buesseler, 1998

24. Le 234Th : traceur de l’export de carbone organique Mission CARUSO (M. Rutgers van der Loeff et al., AWI)

26. Profils de 230Th dissous et particulaire dans l’océan

27. Reversible scavenging causes 230Thconcentration to increase with depth 234U 230Th Sinking Particles Carry 230Th Downward 230Th 234U kads 230Th 230Th kdes 230Th 234U 230Th 230Th 230Th 234U 230Th 230Th 230Th 230Th 234U 230Th 230Th 230Th 230Th 230Th 230Th 230Th 230Th 230Th 230Th 230Th 230Th A230>A234

28. Profiles linéaires de concentration de 230Th:Echange réversible Diss. 230Th (fg/kg) Low Flux High Flux

31. Profiles linéaires de concentration de 230Th:Echange réversible Diss. 230Th (fg/kg) K = kads/kdes Low Flux High Flux K varies with abundance and reactivity of particles

32. 230Th dissous et particulaire Station Aloha au large d’Hawaii, Océan Pacifique = vitesse de chute des petites particules : 300 m/ an

33. Simple 1-D scavenging model fits 230Th data at many Pacific stations NPP (gC m-2 yr-1) INOPEX SAFe Aloha SAFe Aloha INOPEX Higher particle flux (K) in NW Pacific lowers 230Th Concentration. Hayes et al., EPSL 2013 Aloha data from Roy-Barman et al., 1996

34. Lateral mid-depth dissolved 230Th concentration gradients reflect scavenging intensity 22 12 11 10 9 Offshore Nearshore Changing slope indicates shoreward increase in “S•K”, most likely an increase in particle abundance (K)

37. 238 U 230Th PTh sur z 238 U 230Th 238 U 230Th 238 U 230Th Comparaison PTh (attendu) et FTh (mesuré) = donne efficacité de collection du piège à particule PTh = FTh (efficacité 100 %)

39. Marcantonio et al., 2001

40. 231Pa : t = 200 a 230Th : t = 40 a

41. Boundary scavenging 230Th, 231Pa, 10Be A) Production rates of these three tracers are uniform across an ocean basin. B) Particle fluxes (F ) are higher P at ocean margins than in the interior. C) The concentration of each tracer dissolved in the water column (C ) depends on the D ratio between the scavenging rate of the tracer (A>>B>>C) and the lateral mixing rate of the ocean. D) The flux of each tracer is Nd ? x C proportional to F P D A : Th 230 B : 231 Pa C : Be 10 Anderson et al., 1990

42. Le rapport 231Pa / 230Th = caractérise l’intensité du flux de particules « scavenging » océan ouvert marge Broecker & Peng, 1982

43. Influence de la nature des particules sur le scavenging de 230Th, 231Pa ? Chase et al., 2002; Geibert et Usbeck, 2004 MnO2, silice biogène, CaCO3 , particules lithogènes Adsorption préférentielle de 230Th & 231Pa? Silice biogène : adsorption 231Pa Fractionnement 230Th & 231Pa = fonction du rapport silice : carbonates (Chase et al., 2002) pb proxy 231Pa/ 230Th pour reconstituer flux particules

44. Pa, Th : traceur de ventilation, Remontée d’eau profonde McManus et al.(2004) Nature 428, 834-837 : 231Pa/230Th des sédiments : traceur de l’intensité de la circulation thermohaline

45. Conclusions Isotopes du Th : excellents traceurs de la dynamique des particules Pa/Th: En raison de la différence de réactivité, ouvre encore les champs d’application Application : chronomètre de ventilation lente?