Sulfure de carbonyle

Le sulfure de carbonyle (COS) est le gaz soufré le plus abondant dans la troposphère. Le rapport de mélange moyen du COS était de ~ 480 ppt dans l’hémisphère sud et de 490 ppt dans l’hémisphère nord, d’après les mesures atmosphériques effectuées au cours des 5 années entre 2000 et 2005 (Montzka et al., 2007). La plus grande source de COS atmosphérique est l’océan mondial. Le COS est produit dans les eaux de surface par la décomposition photochimique des composés organosulfurés. Les océans sont également une importante source indirecte de COS par l’émission et l’oxydation atmosphérique du disulfure de carbone et du diméthylsulfure (Chin et Davis, 1993 ; Kettle et al., 2002 ; Watts, 2000). La deuxième source de COS dans l’atmosphère moderne est constituée par les émissions anthropiques de gaz sulfureux liées à la fabrication de fibres synthétiques et à la production d’aluminium et de charbon (Campbell et al., 2015 ; Sturges et al., 2001a, b). La combustion de la biomasse et les émissions des sols anoxiques, des zones humides et du volcanisme sont d’autres sources de COS atmosphérique (Watts, 2000 ; Kettle et al., 2002).

Le principal mécanisme de perte de COS atmosphérique est l’absorption par la végétation terrestre. Le COS est absorbé pendant la photosynthèse aux côtés du CO2, mais contrairement au CO2, il n’est pas respiré en retour, ce qui établit un lien entre les niveaux de COS atmosphérique et la productivité primaire brute (PPB) des plantes terrestres (Campbell et al., 2008 ; Sandoval-Soto et al., 2005 ; Seibt et al., 2010 ; Xu et al., 2002). D’autres mécanismes d’élimination mineurs mais significatifs du COS atmosphérique sont l’oxydation par les OH et l’absorption par les sols oxiques. Selon les estimations les plus récentes, l’ampleur de l’absorption terrestre de COS peut atteindre 1 000 TgS an- 1, ce qui représente environ 80 % de l’élimination de COS de l’atmosphère et se traduit par une durée de vie inférieure à 2 ans. Une source océanique importante de 800 à 1000 TgS an- 1 est nécessaire pour un bilan de COS atmosphérique équilibré (Berry et al., 2013 ; Glatthor et al., 2015 ; Kuai et al., 2015) ; cependant, les estimations observationnelles suggèrent un maximum de 300-400 TgS an- 1 d’émissions directes et indirectes combinées (Lennartz et al., 2017). Il reste encore beaucoup à apprendre sur les processus d’émission et d’élimination qui régissent les niveaux de COS atmosphérique.

Le lien entre le COS et la GPP terrestre est la principale raison pour laquelle les mesures du COS atmosphérique et des carottes de glace ont attiré beaucoup d’attention scientifique. La GPP est une composante importante du cycle du carbone terrestre et on ne sait pas grand-chose de sa sensibilité au climat (Campbell et al., 2017). Le COS a un certain impact direct sur le climat, bien qu’il ne soit pas considéré comme un gaz important pour le climat. Dans la stratosphère, le COS s’oxyde pour former des aérosols de sulfate, qui réduisent la quantité de rayonnement solaire qui atteint la Terre. Cependant, les effets potentiels de refroidissement via les aérosols stratosphériques sont compensés dans une certaine mesure par les effets potentiels de réchauffement dans la troposphère puisque le COS absorbe efficacement dans l’infrarouge (Brühl et al., 2012).

Le premier enregistrement du COS dans une carotte de glace provenait d’une carotte de glace peu profonde forée à sec du Siple Dome, en Antarctique occidental (SDM-C) (Aydin et al., 2002 ; Montzka et al., 2004). L’âge des gaz mesurés allait de 1616 à 1950 CE. La moyenne de l’ensemble de données était de 350 ± 39 ppt (± 1σ) et elle a montré une tendance à l’augmentation dans le temps à partir du milieu du XIXe siècle. Cet enregistrement a fourni la première preuve que les niveaux de COS dans l’atmosphère préindustrielle étaient considérablement plus bas que ceux de l’atmosphère contemporaine. Les mesures de l’air des sapins ont été un élément essentiel de la validation des mesures du COS des carottes de glace, car les histoires atmosphériques basées sur les mesures de l’air des sapins limitent la variabilité atmosphérique au cours du vingtième siècle et relient les mesures du COS des carottes de glace aux enregistrements instrumentaux (Sturges et al., 2001a ; Montzka et al., 2004). Les histoires atmosphériques basées sur les données de l’air du névé provenant de plusieurs sites dans l’Arctique et l’Antarctique indiquent de fortes augmentations au cours du vingtième siècle, confirmant l’impact important des activités humaines sur les niveaux de COS atmosphérique.

Le COS est uniformément distribué dans l’atmosphère extratropicale de l’hémisphère sud aujourd’hui (Montzka et al., 2007). Si les niveaux de COS dans les bulles d’air des carottes de glace étaient chimiquement altérés pendant ou après le piégeage, on pourrait s’attendre à une variabilité site-dépendante dans les mesures des carottes de glace liées aux caractéristiques chimiques et physiques de la glace. Depuis la publication de l’enregistrement SDM-C, le COS a été mesuré dans six carottes de glace différentes provenant de quatre sites antarctiques différents : la carotte de glace SPRESSO du pôle Sud, les carottes de glace 05A et 06A de la division de l’inlandsis de l’Antarctique occidental (WAIS), la carotte de glace SDM-A du Siple Dome, la carotte de glace Byrd du WAIS et la carotte de glace M3C1 du Taylor Dome (Aydin et al., 2008, 2014, 2016). Deux de ces carottes de glace (SPRESSO et WDC-05A) ont été forées à sec et quatre carottes de glace (WDC-06A, SDM-A, Byrd, et Taylor Dome M3C1) ont été forées avec des fluides de forage à base d’hydrocarbures. Bien que ces carottes de glace varient en termes de plage temporelle et de résolution, à l’exception des enregistrements de Byrd et SDM-A, elles comprennent un nombre suffisant de mesures de l’ère préindustrielle pour permettre une comparaison rigoureuse (figure 3).

Les niveaux de CO2 dans les échantillons de carottes de glace provenant des diverses carottes de glace antarctiques forées à sec et à l’aide de fluides affichent une bonne concordance au cours du dernier millénaire, ce qui permet de croire que les mesures des carottes de glace antarctiques reflètent les véritables niveaux atmosphériques pendant l’ère préindustrielle. Les mesures SPRESSO et WDC-05A constituent deux ensembles de données à haute résolution qui permettent d’étudier les variations du COS atmosphérique à l’échelle centennale. Les données ne montrent aucune tendance à long terme entre 1000 et 1800 de notre ère, mais une excursion positive du COS de 10-20 ppt est évidente entre 1550 et 1750 de notre ère (Fig. 3). Le moment de cette excursion positive du COS coïncide avec une période de climat plus froid pendant l’ère préindustrielle, généralement connue sous le nom de petit âge glaciaire (LIA). L’ampleur de l’excursion positive est comparable à la dispersion évidente dans les mesures des carottes de glace, ce qui peut expliquer pourquoi cette caractéristique n’est pas évidente dans l’ensemble de données WDC-06A à plus faible résolution. Le LIA a été caractérisé par un climat plus frais et des niveaux de CO2 atmosphérique plus bas (Rubino et al., 2016 ; MacFarling Meure et al., 2006 ; Neukom et al., 2014). Les niveaux élevés de COS pendant le LIA ont été attribués à une baisse de la PPG terrestre (Rubino et al., 2016).

Le COS a été mesuré dans de la glace (WDC-06A) aussi vieille que 54 000 ans avant le présent (Aydin et al., 2016). L’interprétation des données provenant de la glace plus ancienne qu’un millier d’années avant le présent est complexe car des divergences commencent à apparaître entre les ensembles de données contemporaines, avec un COS systématiquement plus faible dans les carottes de glace provenant de sites relativement plus chauds. Ceci est visible sur la Fig. 3 avec les mesures de WAIS Divide devenant progressivement plus appauvries que les mesures de South Pole et Taylor Dome sur des horizons d’âge plus anciens que 1000 CE. Cet écart entre les mesures de sites ayant des histoires de température différentes a été attribué à l’hydrolyse lente in situ du COS, qui est une réaction dépendant de la température, provoquant un appauvrissement au fil du temps (Aydin et al., 2014). La durée de vie estimée du COS par rapport à l’hydrolyse in situ dans les carottes de glace varie de quelques milliers d’années sur un site chaud comme Siple Dome à environ un million d’années sur un site plus froid comme le pôle Sud.

Une analyse détaillée des données sur le COS provenant de carottes de glace profondes suggère que le COS devient chimiquement stable (c’est-à-dire que l’hydrolyse in situ s’arrête) une fois que toutes les bulles d’air sont transformées en clathrates d’air sous pression hydrostatique. Sur la base de cette interprétation, les données actuellement disponibles indiquent que les niveaux de COS atmosphérique pendant la dernière période glaciaire étaient comparables à ceux de l’Holocène (Aydin et al., 2016). Ces observations doivent être confirmées par des mesures provenant d’autres carottes de glace. Les mesures en cours à partir d’une carotte de glace du pôle Sud (spicecore.org) devraient fournir un enregistrement du COS sur 50 000 ans comparable aux mesures existantes du WDC-06A de WAIS Divide.

Les mesures du COS à partir de la glace de l’hémisphère Nord sont limitées, consistant en deux enregistrements courts à partir d’une carotte forée à sec et d’une carotte forée avec un fluide à Summit, au Groenland (carottes de glace GISP2B et GISP2D) (Aydin et al., 2007). Ces données couvrent la période de 1681 à 1868 CE et affichent une moyenne de 325 ± 23 ppt (± 1σ, n = 25), qui n’est pas significativement différente de la moyenne des mesures contemporaines des carottes de glace de l’Antarctique (Fig. 3). Ces données suggèrent un gradient de COS interhémisphérique faible ou nul dans l’atmosphère préindustrielle. D’autres mesures provenant des carottes de glace du Groenland sont nécessaires pour étudier la variabilité possible du gradient interhémisphérique de COS sur des échelles de temps plus longues.

Sulfure de carbonyle

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