M´ecanismes de transport

Le CH4 est ´emis depuis la zone de m´ethanog´en`ese vers l’atmosph`ere par trois

m´eca-nismes : l’´ebullition, la diffusion `a l’interface air–eau et la diffusion `a travers les plantes

(figure 1.8).

Fig.1.8 – Mode de transport du CH₄vers l’atmosph`ere : exemple des rizi`eres (Le Mer et Roger,

2001)

L’´ebullition est le r´esultat d’une remont´ee de bulles de gaz form´ees dans des conditions

o`u les concentrations de CH4 d´epassent la solubilit´e. La production est alors plus ´elev´ee

que la diffusion du CH4 dans le s´ediment et le CH4 s’accumule dans les s´ediments puis

forme des bulles qui contiennent 50 `a 90% (v/v) de CH₄ (Bartlett et al., 1988 ; Keller

et Stallard, 1994). Ces bulles peuvent ensuite ˆetre d´estabilis´ees (modification de la

pres-sion hydrostatique, remise en suspenpres-sion des s´ediments) et elles quittent le s´ediment et

traversent rapidement la colonne d’eau. Ce mode d’´emission peut ˆetre pr´epond´erant dans

certains ´ecosyst`emes comme les plaines d’inondation amazoniennes, o`u 70 `a 90% du CH4

est ´emis dans l’atmosph`ere via l’´ebullition (Bartlett et al., 1988 ; Devol et al., 1988 ; Crill

et al., 1988 ; Richey et al., 1988). Ce mode de transport permet aux bulles de traverser la

couche oxique tr`es rapidement ainsi le CH₄ n’est pas affect´e par l’oxydation. L’´ebullition

est fortement d´ependante de la profondeur d’eau au dessus du s´ediment. En effet, la

pres-sion hydrostatique limite la formation de bulles en augmentant la solubilit´e du CH4. La

profondeur limite de formation de bulles est en g´en´eral autour de 10 m (Keller & Stallard,

1994).

Les flux diffusifs `a l’interface air–eau pour les gaz peu solubles tel que le CO2, le CH4 et

l’O2 d´ependent principalement de 2 param`etres : le gradient de concentration entre l’air et

l’eau et le coefficient d’´echange. Les formulations math´ematiques de ces param`etres seront

d´etaill´ees dans les Sections 4.4 et 5.2.Le gradient de concentration entre l’air et l’eau est

la diff´erence entre la concentration dans l’eau (CCO2) et la concentration que devrait avoir

l’eau si elle ´etait `a l’´equilibre avec l’atmosph`ere (Ceq). Ceq d´epend de la concentration

atmosph´erique et de la temp´erature de l’eau. La solubilit´e du CO₂ et des autres gaz peu

solubles diminue quand la temp´erature augmente. Le flux de CO₂, par exemple, est dirig´e de

la surface de l’´ecosyst`eme aquatique vers l’atmosph`ere quand CCO2>Ceq. La magnitude du

flux d´epend de la diff´erence de concentration : plus la diff´erence est grande, plus le flux sera

important.Le coefficient d’´echange (k) a ´et´e determin´e dans de tr`es nombreux ´ecosyst`emes

aquatiques : oc´eans, lacs, rivi`eres, estuaires. D’un syst`eme `a l’autre et `a l’int´erieur d’un

seul syst`eme, k peut varier de 2 ordres de grandeur (Wanninkhof, 1992). Ces variations de

k sont reli´ees `a la turbulence `a l’interface air–eau (Liss et Slater, 1974). Les facteurs faisant

varier la turbulence dans la micro–couche de surface dans les environnements aquatiques

sont les suivants :

le vent `a la surface des oc´eans (Wanninkhof, 1992), des lacs (Cole et Caraco, 1998)

et des rivi`eres et des estuaires (Borges et al., 2004)

le courant dans les rivi`eres et les estuaires (O’Connor et Dobbins, 1958 ; Zappa et al.,

2003 ; Borges et al., 2004)

les vagues (Wolf, 2005) et les bulles qu’elles g´en`erent lors de leur d´eferlement (Asher

et Wanninkhof, 1998)

la pluie (Ho et al., 1997) dont l’effet n’a ´et´e quantifi´e qu’en laboratoire et en oc´ean

artificiel

et les flux de chaleur qui sont `a l’origine de mouvements de convection lors des

ph´enom`enes d’´evaporation ou de condensation de l’eau (Liss et al., 1981 ; Ward et

al., 2004).

Toutes ces ´etudes montrent que k augmente quand l’intensit´e des param`etres

pr´ec´edem-ment cit´es augpr´ec´edem-mente. L’effet du vent `a la surface des oc´eans et des lacs est le param`etre le

plus influent sur le coefficient d’´echange (Wanninkhof, 1992 ; Cole et Caraco, 1998). Dans

les rivi`eres et les estuaires, les vitesses de courant acc´el`erent consid´erablement les ´echanges

gazeux entre l’air et l’eau. A Petit–Saut, il conviendra donc de prendre en compte cette

diff´erence pour estimer les flux `a la surface du lac et dans la rivi`ere et l’estuaire `a l’aval du

barrage. De plus, en milieu tropical en saison humide, la pluie pourrait avoir un effet non–

n´egligeable sur les flux de CO2 et de CH4 vers l’atmosph`ere. Suite `a l’´etude de la relation

entre le coefficient d’´echange et le vent dans 3 estuaires europ´eens, Borges et al. (2004)

ont montr´e que ce type de relation est sp´ecifique du site ´etudi´e. De ce fait, l’estimation

pr´ecise des flux diffusifs par un ´ecosyst`eme aquatique requiert la connaissance du coefficient

d’´echange et de sa variabilit´e sur le site ´etudi´e. Dans le cadre de cette ´etude, l’estimation

du coefficient d’´echange sur le site de Petit–Saut semble d’autant plus primordial qu’il n’a

jamais ´et´e ´etudi´e dans des environnements tropicaux (Voir section 4.4).

Le troisi`eme mode de transport du CH4 est le transport via les plantes dans les

´ecosyst`emes aquatiques v´eg´etalis´es tels que les zones littorales des lacs, les rizi`eres et

les mar´ecages (figure 1.8). Les plantes grˆace `a leur a´erenchyme (cavit´es remplie d’air)

agissent comme des conduites pour les ´echanges de CH4 entre le s´ediment et l’atmosph`ere

(Neue et Roger, 1994). Le CH4 des s´ediments diffuse `a travers les parois des racines dans

l’a´erenchyme de la plante puis rejoint l’atmosph`ere par diffusion par les micropores des

feuilles de la plante. Ce mode de transport est donc passif, uniquement bas´e sur la

diffu-sion mol´eculaire entre les diff´erents milieux (Nouchi et al., 1994). Ce processus d’´emisdiffu-sion

est largement dominant dans les rizi`eres et les zones mar´ecageuses puisqu’il serait

respon-sable de 90% des ´emissions (Cicerone et Shetter, 1981 ; Sch¨utz et al., 1989 ; Whiting and

Chanton, 1992 ; Tyler et al., 1997). Le barrage de Petit–Saut n’´etant pas colonis´e par de la

v´eg´etation aquatique, ce processus n’aura aucune influence sur les ´emissions par le barrage.