Soixante annees d'evolution des concentrations atmospheriques en mercure elementaire gazeux

221 Pages·2017·4.81 MB·French

by  Xavier Faïn

Soixante annees d’evolution des concentrations
atmospheriques en mercure elementaire gazeux
reconstruites grâce aux archives glaciaires du Groenland
Xavier Faïn
To cite this version:
Xavier Faïn. Soixante annees d’evolution des concentrations atmospheriques en mercure elementaire
gazeux reconstruites grâce aux archives glaciaires du Groenland. Océan, Atmosphère. Université
Joseph-Fourier - Grenoble I, 2007. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00202444￿
HAL Id: tel-00202444
https://theses.hal.science/tel-00202444
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LABORATOIRE DE
GLACIOLOGIE
ET GEOPHYSIQUE
DE L’ENVIRONNEMENT

SOIXANTE ANNEES D’EVOLUTION DES
CONCENTRATIONS ATMOSPHERIQUES EN MERCURE
ELEMENTAIRE GAZEUX RECONSTRUITES GRACE AUX
ARCHIVES GLACIAIRES DU GROENLAND

Xavier FAÏN

Thèse de doctorat de l’Université Joseph Fourier (Grenoble 1)
(Arrêtés ministériels du 5 juillet 1984 et 30 mars 1992)

Spécialité : Sciences de la Terre et de l’Univers

Date de Soutenance : 16 novembre 2007

Composition du jury :

Mme Valérie MASSON-DELMOTTE Présidente du Jury
M. Christian SEIGNEUR Rapporteur
M. Marc AMYOT Rapporteur
M. Jean Louis COLIN Examinateur
M. Aurélien DOMMERGUE Examinateur
M. Christophe FERRARI Directeur de thèse

Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de L’environnement (UMR 5183)
Centre National de la Recherche Scientifique
Université Joseph Fourier
54, rue Molière – Domaine Universitaire
BP 96 – 38402 – Saint Martin d’Hères Cedex (France)
Avant-propos

Je voudrais remercier Valérie Masson-Delmotte d’avoir accepté de présider mon jury, ainsi
que Christian Seigneur et Marc Amyot qui m’ont fait l’honneur de rapporter mon manuscrit et
de traverser l’Atlantique pour assister à ma soutenance. Je tiens également à remercier
Jean-Louis Colin pour l’intérêt qu’il a porté à mes travaux en tant qu’examinateur.

Je remercie Claude Boutron et Christophe Ferrari, qui m’ont permis de réaliser une thèse au
LGGE. La confiance et les encouragements de Christophe ont été pour moi un véritable
moteur, ce fut une aventure passionnante de monter ensemble ce projet, de le porter et
finalement de le voir aboutir ! Merci Christophe de m’avoir offert le rêve du Grand Nord…

Ma thèse n’aurait pu se réaliser sans le soutien de quelques gaziers. Merci Jean Marc pour
ta présence et ton écoute, je compte maintenant sur toi pour résoudre « le mystère de
Green »… Et peut-on parler de modèle sans remercier Laurent, le Maître de la diffusion ?
Enfin, je n’oublie pas Sophie, la première à m’avoir initié aux secrets de la modélisation.
D’ailleurs Sophie, comment appelleras tu ta fille ?

I would like to express my gratitude to Mary Albert. She accepted that I joined her firn project
at Summit and gave me the opportunity to carry out my field work. I am also really grateful to
Mark Battle, who welcomed me on the field, and during one year, helped me to understand
and discuss my results. Finally, I keep a great memory of the digging and pit sessions at
Summit with Zoe, Chandler alias “The Machine” and Meaghan.

I thank Jeff Severinghaus, Steve Montzka, Franz Slemr, Sandy Steffen and Torunn Berg for
providing me very useful data.

Enfin, j’ai reçu beaucoup d’aide de la part du personnel du laboratoire : le secrétariat et SOS-
informatique (merci Marie). Un grand merci pour Jean Philippe et tous les collègues des
services techniques qui ont été d’une grande aide pour la préparation des missions.

1
Je voudrais dire encore tellement de merci… En voici quelques uns !
Merci Olive d’avoir supporté de partager tes multiples bureaux pendant presque trois ans
avec quelqu’un de si peu ordonné (et je ne dis pas ça pour te mettre en boite…). Merci pour
cette amitié qui dépasse bien le local handicapé du LGGE. Alors bientôt papa ? Maintenant
que tout le monde sait que ce sera un garçon…
Merci Aurélien d’avoir inventé le génial GAMAS et le Walkman, qui auront été des outils
indispensables au Groenland. Bientôt le WAMAS ? Merci pour ton soutien pendant ma
dernière année de thèse.
Merci Warren et Carlo pour m’avoir laissé manipuler seul L’ICP-MS, merci Alexandrine de ne
pas m’avoir laissé manipuler seul l’ICP-MS.
Merci Jean Luc pour le temps consacré à mes analyses de chromato ionique.
Merci Fred pour m’avoir expliqué avec des mots (parfois !) simples ki2 et Tarantule.
Merci Patricia de m’avoir guidé dans l’univers de Cryostat, CMDL et AGAGE.
Merci Eric et Jean-Pierre pour nos discussions statistiquement fructueuses !
Merci Florent pour ta rigueur et ta disponibilité, et pour ton choix judicieux de stagiaire.
Merci aux glaciologues, Christian, Manu, Delphine pour la p’tite place que vous m’avez fait
au chaud dans l’hélico ou dans la cabane de St Sorlin !
Merci Cath, pour les kriss de performances de Mas Mas Mas et Speak2me.
Merci Cédric, alias Cassoulet, pour nous avoir guidé et fait rêver pendant deux mois dans
ton royaume glacé. Merci Nico et Martin pour les coups de pelle et la bonne humeur sur le
terrain.
Merci Daphnoute d’avoir imprimé ma thèse quand je me faisais bronzer en Croatie.
Merci Clem’ de ne plus oublier ton passeport. Une bise sur la fesse droite !
Merci Jean pour ta relecture critique de scientifique averti.
Merci Fofie, Odette, Maman, Bruno pour vous être battus avec mes faute d’aurtografes.
Merci Sabine et Lionel de m’avoir fait tonton. Merci Lucie d’être venue écouter ma
soutenance (au moins le début !).
Merci à tous les thésards qui ont un jour tordu le coup à la girafe.
Merci aux amis qui pendant ces années de thèse ont partagé ces aventures uniques et ces
instants magiques que la montagne peut nous offrir. Une pensée aussi pour ceux qui sont
partis.
Enfin merci Maïon, pour les pauses thé, et surtout pour tout le reste.

2
RESUME

Le mercure est un métal toxique émis dans l’environnement par des sources naturelles et
anthropiques, et se retrouve dans l’atmosphère majoritairement sous forme élémentaire
gazeuse (Hg°). Le cycle naturel de ce polluant a été durablement perturbé par l’Homme, et
l’importance de ces perturbations est mal caractérisée à ce jour. L’air des névés polaires
contient un enregistrement de la composition passée de l’atmosphère qui n’a jamais été
utilisé pour l’étude du cycle du mercure.
En 2005 et 2006 à Summit, Groenland Central, nous avons observé une réactivité chimique
du mercure dans les trois premiers mètres de neige de surface, se traduisant par des
variations journalière et saisonnière des concentrations en Hg° dans l’air interstitiel.
Cependant, nous avons montré que ces processus n’affectaient pas l’enregistrement
atmosphérique contenu dans le névé profond. Nous avons mesuré les concentrations en
mercure élémentaire gazeux dans l’air du névé entre 15 et 79,5 mètres de profondeur, et
avons pu établir la fonction de transfert pour Hg° au site de Summit. Cette dernière à alors
été utilisée pour reconstruire les concentrations passées de l’atmosphère de Hg° aux
moyenne et hautes latitudes nord depuis 1950.
Le signal reconstruit montre un maximum à ~3 ng.m-3 en ~1970, et reproduit la stabilité des
concentrations observées depuis 1995. Notre modèle met en évidence l’influence forte des
émissions humaines sur le contenu en mercure de l’atmosphère. Le puits chimique
atmosphérique de Hg° est très actif et permet de fait un transfert rapide du mercure depuis le
réservoir atmosphérique vers les réservoirs océaniques et continentaux. Déposé sous
formes divalentes, il devient alors disponible pour la méthylation et postérieurement la
contamination des écosystèmes.

3
ABSTRACT

Mercury, a toxic metal emitted to the environment via both natural and anthropogenic
sources, is found generally in the elementary gaseous form (Hg°) in the atmosphere. The
natural cycle of this pollutant has been perturbed by humans for some time, however the
importance of these alterations remains as yet poorly characterised. The air from polar firn
constitutes a historical record of the atmosphere’s composition which has, until now, never
been used to study the mercury cycle.
In 2005 and 2006 at Summit, Central Greenland, we observed reactive mercury chemistry in
the first three metres of the snowpack, which translated to daily and seasonal variations in
Hg° concentrations in the interstitial air of the snow. However, we determined that these
processes do not affect the atmospheric records in deep firn. We measured Hg°
concentrations in the interstitial air of the firn at Summit at depths between 15 and 79,5
metres and were able to establish a transfer function. This function was then used to
reconstruct past atmospheric Hg° concentrations in mid to high northern latitudes from 1950
to the present.
The reconstructed signal illustrates a maximum of ~3 ng.m-3 in ~1970 and reproduces the
stability in atmospheric mercury concentrations observed since 1995. Our model also
highlights the strong influence of human activities on atmospheric mercury concentrations.
The atmosphere, a highly active chemical sink for atmospheric mercury, allows for a rapid
transfer of this pollutant to other oceanic and continental reservoirs where it can be deposited
in divalent forms which become available for methylation and subsequently, the
contamination of ecosystems.

4
TABLE des MATIERES

GLOSSAIRE 9
Introduction 10

Chapitre I : Cycle du mercure, fonctionnement
naturel et perturbations anthropiques 13

I.1. GENERALITES 13
I.1.1. Historique 13
I.1.2. Propriétés physiques et chimiques 14
I.1.3. Toxicité du mercure 15
I.2. CYCLE DU MERCURE DANS L’ENVIRONNEMENT 15
I.2.1. Le réservoir atmosphérique 16
I.2.2. Le réservoir océanique 19
I.2.3. Sols, sédiments et milieux aqueux 20
I.2.4. La biomasse 20
I.3. LES SOURCES DU MERCURE 21
I.3.1. Sources naturelles du mercure 21
I.3.2. Sources anthropiques du mercure 23
I.3.2.1. Historique de la production anthropique en mercure 23
I.3.2.2. Les émissions en mercure en 2000 25
I.3.2.3. Evolution des émissions anthropiques de 1980 à 2000 26
I.3.3. Transport et dépôt du mercure à une échelle globale 27
I.4. CYCLE DU MERCURE EN MILIEUX POLAIRES 28
I.4.1. Contamination des écosystèmes arctiques au mercure 28
I.4.2. Les AMDEs 30
I.4.3. Interactions entre atmosphère et manteau neigeux 34
I.5. REACTIVITE DU MERCURE DANS LES MANTEAUX NEIGEUX 36
I.5.1. Importance des caractéristiques physiques du manteau neigeux 36
I.5.2. Le manteau neigeux, source de Hg° 36
I.5.3. Le manteau neigeux, puits de Hg° 37
I.5.4. Compétition entre production et destruction de Hg° dans l’air interstitiel 38
5
I.6. ETUDE PALEO-ENVIRONNEMENTALE DU CYCLE DU MERCURE 42
I.6.1. Etat de nos connaissances 42
I.6.1.1. Données instrumentales atmosphériques 42
I.6.1.2. Le mercure dans les archives environnementales 44
I.6.1.3. Perturbation du cycle naturel du mercure par l’Homme 46
I.6.2. Névé et glace aux pôles, des archives atmosphériques uniques 48
I.6.2.1. Description du névé polaire 49
I.6.2.2. Présentation du site de Summit 51
I.6.2.3. Problématique de la fonction de transfert de Hg° 52
Chapitre II : Outils et méthodes pour l’étude de la
fonction de transfert du mercure élémentaire gazeux
54

II.1. CARACTERISATION DU RESERVOIR ATMOSPHERIQUE 54
II.1.1. Mesure de Hg° par l’analyseur Tekran 2537A 54
II.1.2. Calibration du 2537A pour une utilisation en altitude 55
II.2. CARACTERISATION DU MANTEAU NEIGEUX DE SURFACE 57
II.2.1. Mesure de Hg° dans l’air interstitiel de la neige 57
II.2.1.1. Présentation des sondes GAMAS 57
II.2.1.2. Potentialités et limites de la méthode 58
II.2.2. Mesure des espèces mercurielles dans un manteau neigeux 59
II.2.2.1. Collecte des échantillons de neige 60
II.2.2.2. Analyse par spectrométrie de masse 60
II.3. CARACTERISATION DU NEVE PROFOND 61
II.3.1. Mesure de Hg° dans l’air du névé 61
II.3.1.1. Dispositif de pompage 62
II.3.1.2. Couplage à un analyseur Tekran 2537A 64
II.3.2. Modélisation de la diffusion des gaz dans le névé 66
II.3.2.1. Hypothèses sur la structure du névé 66
II.3.2.2. Transport des gaz dans le névé 67
II.3.2.3. Equations de conservation 68
II.3.2.4. Paramétrisation du modèle 69
II.3.3. Reconstruction d’un signal atmosphérique 72
II.3.3.1. Détermination de la fonction de transfert 72
II.3.3.2. Evaluation du scenario le plus probable 73
II.3.3.3. Détermination de l’enveloppe des reconstructions atmosphériques acceptées 73
II.3.3.4. Validité des scénarios atmosphériques dans le temps 75
6
Chapitre III : Le mercure dans le manteau neigeux à
Summit, et la faisabilité de l’étude de la fonction de
transfert 77

III.1. PROBLEMATIQUE 77
III.2. DESCRIPTION DE L’ETUDE ET PRINCIPAUX RESULTATS 77
III.3. ARTICLE 78
Chapitre IV : Reconstruction des concentrations
atmosphériques passées en mercure élémentaire
gazeux 116

IV.1. PARAMETRISATION DU MODELE DE DIFFUSION 116
IV.1.1. Paramètres météorologiques et propriétés physiques du névé à Summit 116
IV.1.2. Reconstruction du profil de tortuosité 119
IV.1.3. Validation de la paramétrisation 123
IV.2. CONCENTRATIONS EN HG° DANS L’AIR DU NEVE 129
IV.2.1. Les sources d’incertitudes sur le terrain et leurs estimations 129
IV.2.2. Profil expérimental de Hg° 131
IV.3. RECONSTRUCTION DES CONCENTRATIONS ATMOSPHERIQUES EN
HG° 132
IV.3.1. Fonction de transfert de Hg° à Summit 132
IV.3.2. Description des scénarios testés 135
IV.3.3. Reconstruction atmosphérique par approche de Monte Carlo 137
Chapitre V : Implications pour la compréhension du
cycle global du mercure 140

V.1. EVIDENCE DE L’IMPACT ANTHROPIQUE SUR LE CONTENU DU
RESERVOIR ATMOSPHERIQUE 140
V.1.1. Un maximum d’émission anthropique dans les années 1970 140
V.1.1.1. Une production industrielle de mercure maximale en 1970 141
V.1.1.2. Enregistrement des dépôts en espèces mercurielles divalentes dans les archives
naturelles 142
V.1.2. Décroissance et stabilisation des concentrations atmosphériques en Hg° depuis 30
ans 143
7
V.1.2.1. Estimations des émissions anthropiques 143
V.1.2.2. Mesures directes de Hg° dans l’atmosphère 144
V.1.3. Représentativité spatiale du signal reconstruit 147
V.1.3.1. Caractéristiques de l’atmosphère de Summit 147
V.1.3.2. Gradient de concentration au sein de l’hémisphère nord 149
V.1.4. Conclusions 152
V.2. REPONSE DE L’ATMOSPHERE AUX PRESSIONS ANTHROPIQUES 152
V.2.1. Evolution des sources naturelles au XXème siècle 153
V.2.2. Hypothèses sur la nature et le rôle des puits naturels 153
V.2.2.1. Quels puits naturels pour Hg° atmosphérique ? 154
V.2.2.2. Un cycle atmosphérique rapide régulé par le puits chimique 155
V.3. QUELLES IMPLICATIONS POUR LE CYCLE DU MERCURE ? 156
V.3.1. Conséquences globales d’un puits chimique atmosphérique efficace 156
V.3.2. Implications à des échelles locales : exemple de l’Arctique 157
V.3.3. Implications futures 157
Conclusions et perspectives 160

Références bibliographiques 165

ANNEXE A
186
ANNEXE B
199
ANNEXE C
200
ANNEXE D
203

8