Développement et utilisation de l'Actinium-227 comme traceur du mélange de l'océan profond

The vertical mixing in the deep ocean is an important process for the functioning of thermohaline circulation and also for the global climatic system. L'actinium-227 (227Ac) is a natural radioactive isotope product by the protactinium-231 (231Pa) decay in deep marine sediment. The short half-life of this isotope (22 years) makes it a specific tracer of vertical mixing of deep ocean. 227Ac analysis by nuclear counting used until now required from 50 to several hundred liters of water for a limited accuracy. This limited strongly the use of 227Ac in oceanography until today. During this thesis, we developed a join 231Pa-227Ac purification protocol suitable for 10L seawater sample, to perform analysis by MC-ICPMS. In addition to these two isotopes, this separation protocol provides different fractions that can be used to other tracers (Nd, Ra or Th isotopes) from the same water sample.This protocol was applied to archival samples collected during the Bonus GoodHope cruise, in the Southern Ocean. 231Pa was measured at the same time as 227Ac because its analysis is essential to exploit 227Ac data. These new 231Pa data support the previous hypothesis of a strong affinity toward the opal produced by the diatoms and allow to refine the transport of radionuclides along slopping isopycnal surfaces at the South of the ACC. Results from 227Ac data gave estimates of the vertical eddy diffusion coefficient of 1 cm2/s over the mid-ocean ridge, of 14 cm2/s near the African margin due to an enhanced turbulence and of the order of 30 cm2/s in the Weddell gyre. An application of these values is proposed to describe the concentration and isotopic signature distributions of Nd near the continental margin.Le mélange vertical dans l'océan profond est un processus important pour le fonctionnement de la circulation thermohaline océanique et donc pour le système climatique global. L'actinium-227 (227Ac) est un isotope radioactif naturel produit par désintégration du protactinium-231 (231Pa) dans les sédiments marins profonds. Comme il est soluble, il diffuse dans les eaux de fond. Sa demi-vie courte (22 ans) en fait un traceur spécifique du mélange vertical dans l'océan profond. L'analyse de 227Ac par comptage nucléaire utilisé jusqu'à maintenant nécessite de 50 à plusieurs centaines de litres d'eau et reste malgré tout peu précises. Ceci a limité l'utilisation du 227Ac en océanographie. Au cours de cette thèse, nous avons développé un protocole commun de séparation et d'analyse de 227Ac et 231Pa par MC-ICPMS à partir de 10L d'eau de mer. En plus de ces deux isotopes, ce protocole de séparation produit différentes fractions pouvant permettre d'analyser d'autres traceurs (isotopes du Nd, Ra ou Th) sur un même échantillon d'eau.Ce protocole a été appliqué à des échantillons d'archives prélevés lors de la campagne Bonus GoodHope, dans le secteur Atlantique de l'océan Austral. Le 231Pa a été analysé en parallèle du 227Ac, dont l'analyse est primordiale pour exploiter les données de 227Ac . Ces nouvelles données de 231Pa ont conforté la théorie de sa forte affinité pour l'opale produite par les diatomées et a permis d'affiner le modèle de transport des radionucléides le long des isopycnes remontant au sud de l'ACC. Les résultats obtenus de 227Ac ont permis d'estimer des coefficients de mélange turbulent de 1 cm2/s au-dessus de la dorsale océanique, de 14 cm2/s à cause d'une turbulence accrue près de la marge africaine et de l'ordre de 30 cm2/s dans le gyre de Weddell. Une application de ces valeurs est notamment proposée pour décrire la distribution de la concentration et de la signature isotopique du Nd, à l'aide d'un modèle prenant en compte les processus près de la marge continentale

Développement et utilisation de l'Actinium-227 comme traceur du mélange de l'océan profond

The vertical mixing in the deep ocean is an important process for the functioning of thermohaline circulation and also for the global climatic system. L'actinium-227 (227Ac) is a natural radioactive isotope product by the protactinium-231 (231Pa) decay in deep marine sediment. The short half-life of this isotope (22 years) makes it a specific tracer of vertical mixing of deep ocean. 227Ac analysis by nuclear counting used until now required from 50 to several hundred liters of water for a limited accuracy. This limited strongly the use of 227Ac in oceanography until today. During this thesis, we developed a join 231Pa-227Ac purification protocol suitable for 10L seawater sample, to perform analysis by MC-ICPMS. In addition to these two isotopes, this separation protocol provides different fractions that can be used to other tracers (Nd, Ra or Th isotopes) from the same water sample.This protocol was applied to archival samples collected during the Bonus GoodHope cruise, in the Southern Ocean. 231Pa was measured at the same time as 227Ac because its analysis is essential to exploit 227Ac data. These new 231Pa data support the previous hypothesis of a strong affinity toward the opal produced by the diatoms and allow to refine the transport of radionuclides along slopping isopycnal surfaces at the South of the ACC. Results from 227Ac data gave estimates of the vertical eddy diffusion coefficient of 1 cm2/s over the mid-ocean ridge, of 14 cm2/s near the African margin due to an enhanced turbulence and of the order of 30 cm2/s in the Weddell gyre. An application of these values is proposed to describe the concentration and isotopic signature distributions of Nd near the continental margin.Le mélange vertical dans l'océan profond est un processus important pour le fonctionnement de la circulation thermohaline océanique et donc pour le système climatique global. L'actinium-227 (227Ac) est un isotope radioactif naturel produit par désintégration du protactinium-231 (231Pa) dans les sédiments marins profonds. Comme il est soluble, il diffuse dans les eaux de fond. Sa demi-vie courte (22 ans) en fait un traceur spécifique du mélange vertical dans l'océan profond. L'analyse de 227Ac par comptage nucléaire utilisé jusqu'à maintenant nécessite de 50 à plusieurs centaines de litres d'eau et reste malgré tout peu précises. Ceci a limité l'utilisation du 227Ac en océanographie. Au cours de cette thèse, nous avons développé un protocole commun de séparation et d'analyse de 227Ac et 231Pa par MC-ICPMS à partir de 10L d'eau de mer. En plus de ces deux isotopes, ce protocole de séparation produit différentes fractions pouvant permettre d'analyser d'autres traceurs (isotopes du Nd, Ra ou Th) sur un même échantillon d'eau.Ce protocole a été appliqué à des échantillons d'archives prélevés lors de la campagne Bonus GoodHope, dans le secteur Atlantique de l'océan Austral. Le 231Pa a été analysé en parallèle du 227Ac, dont l'analyse est primordiale pour exploiter les données de 227Ac . Ces nouvelles données de 231Pa ont conforté la théorie de sa forte affinité pour l'opale produite par les diatomées et a permis d'affiner le modèle de transport des radionucléides le long des isopycnes remontant au sud de l'ACC. Les résultats obtenus de 227Ac ont permis d'estimer des coefficients de mélange turbulent de 1 cm2/s au-dessus de la dorsale océanique, de 14 cm2/s à cause d'une turbulence accrue près de la marge africaine et de l'ordre de 30 cm2/s dans le gyre de Weddell. Une application de ces valeurs est notamment proposée pour décrire la distribution de la concentration et de la signature isotopique du Nd, à l'aide d'un modèle prenant en compte les processus près de la marge continentale

Développement et utilisation de l'Actinium-227 comme traceur du mélange de l'océan profond

The vertical mixing in the deep ocean is an important process for the functioning of thermohaline circulation and also for the global climatic system. L'actinium-227 (227Ac) is a natural radioactive isotope product by the protactinium-231 (231Pa) decay in deep marine sediment. The short half-life of this isotope (22 years) makes it a specific tracer of vertical mixing of deep ocean. 227Ac analysis by nuclear counting used until now required from 50 to several hundred liters of water for a limited accuracy. This limited strongly the use of 227Ac in oceanography until today. During this thesis, we developed a join 231Pa-227Ac purification protocol suitable for 10L seawater sample, to perform analysis by MC-ICPMS. In addition to these two isotopes, this separation protocol provides different fractions that can be used to other tracers (Nd, Ra or Th isotopes) from the same water sample.This protocol was applied to archival samples collected during the Bonus GoodHope cruise, in the Southern Ocean. 231Pa was measured at the same time as 227Ac because its analysis is essential to exploit 227Ac data. These new 231Pa data support the previous hypothesis of a strong affinity toward the opal produced by the diatoms and allow to refine the transport of radionuclides along slopping isopycnal surfaces at the South of the ACC. Results from 227Ac data gave estimates of the vertical eddy diffusion coefficient of 1 cm2/s over the mid-ocean ridge, of 14 cm2/s near the African margin due to an enhanced turbulence and of the order of 30 cm2/s in the Weddell gyre. An application of these values is proposed to describe the concentration and isotopic signature distributions of Nd near the continental margin.Le mélange vertical dans l'océan profond est un processus important pour le fonctionnement de la circulation thermohaline océanique et donc pour le système climatique global. L'actinium-227 (227Ac) est un isotope radioactif naturel produit par désintégration du protactinium-231 (231Pa) dans les sédiments marins profonds. Comme il est soluble, il diffuse dans les eaux de fond. Sa demi-vie courte (22 ans) en fait un traceur spécifique du mélange vertical dans l'océan profond. L'analyse de 227Ac par comptage nucléaire utilisé jusqu'à maintenant nécessite de 50 à plusieurs centaines de litres d'eau et reste malgré tout peu précises. Ceci a limité l'utilisation du 227Ac en océanographie. Au cours de cette thèse, nous avons développé un protocole commun de séparation et d'analyse de 227Ac et 231Pa par MC-ICPMS à partir de 10L d'eau de mer. En plus de ces deux isotopes, ce protocole de séparation produit différentes fractions pouvant permettre d'analyser d'autres traceurs (isotopes du Nd, Ra ou Th) sur un même échantillon d'eau.Ce protocole a été appliqué à des échantillons d'archives prélevés lors de la campagne Bonus GoodHope, dans le secteur Atlantique de l'océan Austral. Le 231Pa a été analysé en parallèle du 227Ac, dont l'analyse est primordiale pour exploiter les données de 227Ac . Ces nouvelles données de 231Pa ont conforté la théorie de sa forte affinité pour l'opale produite par les diatomées et a permis d'affiner le modèle de transport des radionucléides le long des isopycnes remontant au sud de l'ACC. Les résultats obtenus de 227Ac ont permis d'estimer des coefficients de mélange turbulent de 1 cm2/s au-dessus de la dorsale océanique, de 14 cm2/s à cause d'une turbulence accrue près de la marge africaine et de l'ordre de 30 cm2/s dans le gyre de Weddell. Une application de ces valeurs est notamment proposée pour décrire la distribution de la concentration et de la signature isotopique du Nd, à l'aide d'un modèle prenant en compte les processus près de la marge continentale

Développement et utilisation de l'Actinium-227 comme traceur du mélange de l'océan profond

The vertical mixing in the deep ocean is an important process for the functioning of thermohaline circulation and also for the global climatic system. L'actinium-227 (227Ac) is a natural radioactive isotope product by the protactinium-231 (231Pa) decay in deep marine sediment. The short half-life of this isotope (22 years) makes it a specific tracer of vertical mixing of deep ocean. 227Ac analysis by nuclear counting used until now required from 50 to several hundred liters of water for a limited accuracy. This limited strongly the use of 227Ac in oceanography until today. During this thesis, we developed a join 231Pa-227Ac purification protocol suitable for 10L seawater sample, to perform analysis by MC-ICPMS. In addition to these two isotopes, this separation protocol provides different fractions that can be used to other tracers (Nd, Ra or Th isotopes) from the same water sample.This protocol was applied to archival samples collected during the Bonus GoodHope cruise, in the Southern Ocean. 231Pa was measured at the same time as 227Ac because its analysis is essential to exploit 227Ac data. These new 231Pa data support the previous hypothesis of a strong affinity toward the opal produced by the diatoms and allow to refine the transport of radionuclides along slopping isopycnal surfaces at the South of the ACC. Results from 227Ac data gave estimates of the vertical eddy diffusion coefficient of 1 cm2/s over the mid-ocean ridge, of 14 cm2/s near the African margin due to an enhanced turbulence and of the order of 30 cm2/s in the Weddell gyre. An application of these values is proposed to describe the concentration and isotopic signature distributions of Nd near the continental margin.Le mélange vertical dans l'océan profond est un processus important pour le fonctionnement de la circulation thermohaline océanique et donc pour le système climatique global. L'actinium-227 (227Ac) est un isotope radioactif naturel produit par désintégration du protactinium-231 (231Pa) dans les sédiments marins profonds. Comme il est soluble, il diffuse dans les eaux de fond. Sa demi-vie courte (22 ans) en fait un traceur spécifique du mélange vertical dans l'océan profond. L'analyse de 227Ac par comptage nucléaire utilisé jusqu'à maintenant nécessite de 50 à plusieurs centaines de litres d'eau et reste malgré tout peu précises. Ceci a limité l'utilisation du 227Ac en océanographie. Au cours de cette thèse, nous avons développé un protocole commun de séparation et d'analyse de 227Ac et 231Pa par MC-ICPMS à partir de 10L d'eau de mer. En plus de ces deux isotopes, ce protocole de séparation produit différentes fractions pouvant permettre d'analyser d'autres traceurs (isotopes du Nd, Ra ou Th) sur un même échantillon d'eau.Ce protocole a été appliqué à des échantillons d'archives prélevés lors de la campagne Bonus GoodHope, dans le secteur Atlantique de l'océan Austral. Le 231Pa a été analysé en parallèle du 227Ac, dont l'analyse est primordiale pour exploiter les données de 227Ac . Ces nouvelles données de 231Pa ont conforté la théorie de sa forte affinité pour l'opale produite par les diatomées et a permis d'affiner le modèle de transport des radionucléides le long des isopycnes remontant au sud de l'ACC. Les résultats obtenus de 227Ac ont permis d'estimer des coefficients de mélange turbulent de 1 cm2/s au-dessus de la dorsale océanique, de 14 cm2/s à cause d'une turbulence accrue près de la marge africaine et de l'ordre de 30 cm2/s dans le gyre de Weddell. Une application de ces valeurs est notamment proposée pour décrire la distribution de la concentration et de la signature isotopique du Nd, à l'aide d'un modèle prenant en compte les processus près de la marge continentale

Development and use of Actinium 227 as a tracer of deep ocean mixing

Le mélange vertical dans l'océan profond est un processus important pour le fonctionnement de la circulation thermohaline océanique et donc pour le système climatique global. L'actinium-227 (227Ac) est un isotope radioactif naturel produit par désintégration du protactinium-231 (231Pa) dans les sédiments marins profonds. Comme il est soluble, il diffuse dans les eaux de fond. Sa demi-vie courte (22 ans) en fait un traceur spécifique du mélange vertical dans l'océan profond. L'analyse de 227Ac par comptage nucléaire utilisé jusqu'à maintenant nécessite de 50 à plusieurs centaines de litres d'eau et reste malgré tout peu précises. Ceci a limité l'utilisation du 227Ac en océanographie. Au cours de cette thèse, nous avons développé un protocole commun de séparation et d'analyse de 227Ac et 231Pa par MC-ICPMS à partir de 10L d'eau de mer. En plus de ces deux isotopes, ce protocole de séparation produit différentes fractions pouvant permettre d'analyser d'autres traceurs (isotopes du Nd, Ra ou Th) sur un même échantillon d'eau.Ce protocole a été appliqué à des échantillons d'archives prélevés lors de la campagne Bonus GoodHope, dans le secteur Atlantique de l'océan Austral. Le 231Pa a été analysé en parallèle du 227Ac, dont l'analyse est primordiale pour exploiter les données de 227Ac . Ces nouvelles données de 231Pa ont conforté la théorie de sa forte affinité pour l'opale produite par les diatomées et a permis d'affiner le modèle de transport des radionucléides le long des isopycnes remontant au sud de l'ACC. Les résultats obtenus de 227Ac ont permis d'estimer des coefficients de mélange turbulent de 1 cm2/s au-dessus de la dorsale océanique, de 14 cm2/s à cause d'une turbulence accrue près de la marge africaine et de l'ordre de 30 cm2/s dans le gyre de Weddell. Une application de ces valeurs est notamment proposée pour décrire la distribution de la concentration et de la signature isotopique du Nd, à l'aide d'un modèle prenant en compte les processus près de la marge continentale.The vertical mixing in the deep ocean is an important process for the functioning of thermohaline circulation and also for the global climatic system. L'actinium-227 (227Ac) is a natural radioactive isotope product by the protactinium-231 (231Pa) decay in deep marine sediment. The short half-life of this isotope (22 years) makes it a specific tracer of vertical mixing of deep ocean. 227Ac analysis by nuclear counting used until now required from 50 to several hundred liters of water for a limited accuracy. This limited strongly the use of 227Ac in oceanography until today. During this thesis, we developed a join 231Pa-227Ac purification protocol suitable for 10L seawater sample, to perform analysis by MC-ICPMS. In addition to these two isotopes, this separation protocol provides different fractions that can be used to other tracers (Nd, Ra or Th isotopes) from the same water sample.This protocol was applied to archival samples collected during the Bonus GoodHope cruise, in the Southern Ocean. 231Pa was measured at the same time as 227Ac because its analysis is essential to exploit 227Ac data. These new 231Pa data support the previous hypothesis of a strong affinity toward the opal produced by the diatoms and allow to refine the transport of radionuclides along slopping isopycnal surfaces at the South of the ACC. Results from 227Ac data gave estimates of the vertical eddy diffusion coefficient of 1 cm2/s over the mid-ocean ridge, of 14 cm2/s near the African margin due to an enhanced turbulence and of the order of 30 cm2/s in the Weddell gyre. An application of these values is proposed to describe the concentration and isotopic signature distributions of Nd near the continental margin

231Pa and 230Th in the Barents Sea and the Nansen Basin: Implications for Shelf-Basin Interactions and Changes in Particle Flux

In seawater, particle reactive 231Pa and 230Th are uniformly produced by decay of soluble 235U and 234U. Due to differences in particle reactivity, 230Th tends to be removed to the sediment close to its production site, while 231Pa is more prone to lateral transport and is removed to the sediments in areas of high particle flux (i.e. boundary scavenging). Due to a combination of perennial ice cover, large shelf areas and river runoff, boundary scavenging in the Arctic Ocean strongly impacts the distribution of 231Pa and 230Th in the water column. Here, 231Pa and 230Th were analyzed in seawater and particles from the Arctic GEOTRACES section GN04 along the Barents shelf and in the Nansen basin. Key observations include lower concentrations of dissolved 231Pa and 230Th on the Barents shelf compared to the Nansen basin, indicating enhanced removal of 231Pa and 230Th near the margin. The particulate nuclide/total nuclide ratio increases from the surface (0.2% for 231Paxs and 0.7% for 230Thxs) to the seafloor (11% for 231Paxs and 71% for 230Thxs), highlighting the role of deep scavenging. The fractionation factor between 231Pa and 230Th (FTh/Pa) ranges from ~3 to 25 and generally increases with depth. Comparison between suspended particles and sediments will be provided. Further, dissolved 231Paxs and 230Thxs concentrations in the Nansen basin are lower compared to concentrations measured 20 years ago1 . This might reflect changes in particle flux and/or changes in circulation patterns. 1 Scholten, J., Rutgers van der Loeff, M., 1995. Distribution of 230Th and 231Pa in the water column in relation to the ventilation of the deep Arctic basins. Deep. Res. Part II 42, 1519–1531

Barium during the GEOTRACES GA-04S MedSeA cruise: The Mediterranean Sea Ba budget revisited

International audienceThe distribution of barium (Ba) in seawater was determined in the main basins and straits of the Mediterranean Sea during the GEOTRACES GA-04S MedSeA cruise. In addition, the concentrations of Ba and radium (Ra) isotopes (228Ra) were determined in groundwaters discharging in the Mediterranean Sea. The dissolved Ba concentration increases from the inflowing Atlantic surface water (Ba ~ 45 nmol/kg) to the intermediate (Ba ~ 70 nmol/kg) and deep (Ba ~ 70–75 nmol/kg) Mediterranean Sea waters in general agreement with previously published profiles. We use these data to build a Ba budget of the Mediterranean Sea and to evaluate the role of different sources of Ba (dusts, rivers, sediments, submarine groundwater discharges, Messinian evaporites). Evaporation alone cannot account for the Ba concentration increase because salinity increases only by 8% between the Gibraltar Strait and the Eastern Basin, whereas the Ba concentration increases up to 75% between the Atlantic Water and the deep waters. Thus, the particulate Ba flux that maintains the Ba concentration gradient between the surface and the deep waters must be 10–100 times stronger than previously estimated and the net Ba loss at the Gibraltar Strait or out of the Western Basin must be balanced by external inputs to the Mediterranean Sea. Newly available data from Mediterranean rivers confirm that rivers are insufficient Ba sources to balance this budget. Using recent estimates of Saharan dust fluxes, we show that dust deposition is also a negligible Ba source, whereas it was previously considered as the main external source. Using Ba-228Ra data, we show for the first time that submarine groundwater discharges can significantly contribute to the Ba budget, but large uncertainties exist due to the high variability of the chemical composition of these groundwaters. The inputs from Messinian evaporites require to be further investigated. Ba transfer from the surface water to the intermediate and deep waters occurs through active particulate Ba cycling and/or Ba dissolution in the sediment. Our study suggests that the mean particulate Ba cycling is more intense than previously estimated

A comparison of dissolved and particulate 231Pa, 230Th and 232Th concentrations measured at the GEOTRACES Arctic crossover station in 2015

The global mapping of the GEOTRACES program requires consistent and precise measurements of 232Th (pg/kg), 230Th and 231Pa (fg/kg) in seawater and suspended particulate matter. Concentrations of particulate and dissolved 231Pa, 230Th and 232Th were measured by four labs in samples collected at the Arctic crossover station in 2015. These samples were collected during two separate expeditions (HLY1502 GN01, Station 30 and PS94 GN04 ARK-XXIX/3, Station 101). Detailed descriptions of chemical procedures used by the participating labs are followed by a discussion focused on dissolved surface samples and particulate samples. Results demonstrated that participating labs can determine concentrations of dissolved 230Th and 231Pa in deep water (<500 m depth) that are internally consistent within 4 % of the mean values. However, the analysis of radionuclide concentrations in suspended particles still needs improvement. The pre-concentration of particulate material used at LSCE was proven to be unsuccessful. Aliquots of particulate samples at St. 101 were re-measured and it was concluded that the absence of HF in the leaching solution was the cause for the previously underestimated particulate concentrations. Large blank contributions are still a problem, especially for measurements of particulate 231Pa.GEOTRACE

A comparison of dissolved and particulate 231Pa, 230Th and 232Th concentrations measured at the GEOTRACES Arctic crossover station in 2015

The global mapping of the GEOTRACES program requires consistent and precise measurements of 232Th (pg/kg), 230Th and 231Pa (fg/kg) in seawater and suspended particulate matter. Concentrations of particulate and dissolved 231Pa, 230Th and 232Th were measured by four labs in samples collected at the Arctic crossover station in 2015. These samples were collected during two separate expeditions (HLY1502 GN01, Station 30 and PS94 GN04 ARK-XXIX/3, Station 101). Detailed descriptions of chemical procedures used by the participating labs are followed by a discussion focused on dissolved surface samples and particulate samples. Results demonstrated that participating labs can determine concentrations of dissolved 230Th and 231Pa in deep water (<500 m depth) that are internally consistent within 4 % of the mean values. However, the analysis of radionuclide concentrations in suspended particles still needs improvement. The pre-concentration of particulate material used at LSCE was proven to be unsuccessful. Aliquots of particulate samples at St. 101 were re-measured and it was concluded that the absence of HF in the leaching solution was the cause for the previously underestimated particulate concentrations. Large blank contributions are still a problem, especially for measurements of particulate 231Pa.GEOTRACE

Recent Progress in Performance Evaluations and Near Real-Time Assessment of Operational Ocean Products

Operational ocean forecast systems provide routine marine products to an ever-widening community of users and stakeholders. The majority of users need information about the quality and reliability of the products to exploit them fully. Hence, forecast centres have been developing improved methods for evaluating and communicating the quality of their products. Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE) OceanView, along with the Copernicus European Marine Core Service and other national and international programmes, has facilitated the development of coordinated validation activities among these centres. New metrics, assessing a wider range of ocean parameters, have been defined and implemented in real-time. An overview of recent progress and emerging international standards is presented here