If inland waters have been acknowledged as significant CO2 emitters and reactors of the global carbon cycle, light has been essentially shed on wetlands, permafrost, and humic lakes, under the overwhelming paradigm that lake supersaturation with CO2 arises from metabolic processes. Within this picture, large and deep hardwater lakes such as Lake Geneva have been largely overlooked, considered neutral to the atmosphere. However, those conceptions rely on data that are poorly resolved in both time and space, leading to a deficient understanding of the fine-scale surface CO2 dynamics in large, deep hardwater lakes and major uncertainties on their estimated annual lake-wide CO2 emissions. Using Lake Geneva as a model for large, deep hardwater lake, the main objectives of this doctoral thesis are (i) to reach a high-resolution understanding of the surface CO2 dynamics and fluxes at the lake, (ii) to untie the physical and biogeochemical processes controlling the CO2 fluxes at the lake– atmosphere interface, and (iii) to derive methodological guidelines on the frequency at which the different components of the CO2 fluxes should be monitored to reach representative estimates of annual CO2 fluxes. The CO2 fluxes at the surface of lakes operate through a net diffusive transport, obeying the first Fickian law often expressed as 𝐹 = 𝑘(𝐶w − 𝐶sat), where F is the CO2 gas flux, k is the gas transfer velocity, 𝐶w is the CO2 concentration at the water surface, and 𝐶sat is the CO2 concentration at saturation with the atmosphere. The guideline of this work is the Fickian equation which is decomposed in its individual terms to quantify the role of physical and biogeochemical processes on their dynamics. In that objective, the temporal variation of the lake surface CO2 and gas exchange velocity was measured at an hourly resolution while their spatial component was addressed by comparing the pelagic and littoral environments. This work benefited from the ongoing initiative of off-shore and in-shore stations for high-frequency monitoring: the LéXPLORE platform (110 m depth) and the Buchillon mast (4 m depth), representative of the two environments.
The first study is dedicated to the drivers of the gas transfer velocity (k). Direct and continuous measures of k are technically challenging, so that k values introduced within annual estimates of CO2 fluxes for lakes are modelled. Insofar, k models in lakes accounted for the effect of wind shear (all lake sizes) and convection (small lakes). Unlike oceanographic studies, the effect of surface waves is typically not included in lake k models although those can occur in large lakes when the wind fetch is long enough. Herein, we demonstrate that accounting for surface waves generated during windy events (> 5 m s–1) significantly improves the accuracy of k estimates in large lakes (i.e. fetch > 15 km). The computation of a new improved k model over a 1-year time period shows that episodic extreme events with surface waves can generate more than 20% of annual cumulative k and more than 25% of annual net CO2 fluxes in Lake Geneva. Moreover, the integration of the spatial variability of k is proposed using spatial meteorological model.
Because all the terms of the flux equation are challenging to measure or parameterise at fine-time and space scale resolution over annual periods, few studies can simultaneously link the variabilities of CO2 flux, water CO2 and k. The aim of this second study is to assess the minimal sampling frequency of inputs data that is necessary to reach representative of estimates annual CO2 fluxes at the surface of a large lake. Herein we show that representative estimates of CO2 fluxes require high-frequency computations of k (hourly), all year round, to capture intense but short-lived turbulence events. Daily and weekly measurements of water CO2 are necessary during shoulder periods, while the CO2 sampling frequency can be loosened during periods of stability such as summer.
Besides, we show that littoral CO2 fluxes, which are one order of magnitude greater than pelagic fluxes, contribute significantly to the total lake emissions even where they represent of very small share of the total lake surface. Finally, we propose solutions to improve these CO2 gas exchange quantifications using currently available numerical tools such as spatial weather model, hydrodynamical model, and data reconstruction.
The last study is dedicated to the interaction between alkalinity and biological processes, in relation to surface CO2 dynamics. In alkaline freshwater systems such as Lake Geneva, the apparent absence of carbon limitation to gross primary production (GPP) at low CO2 concentrations suggests that bicarbonates can support GPP. However, the contribution of bicarbonates to GPP has never been quantified in lakes along the seasons. We can demonstrate for the first time that the available CO2 at the lake surface is not sufficient to maintain GPP for two-thirds of the year in Lake Geneva. To support the high rate of O2 production, aquatic primary producers withdraw bicarbonate from the alkalinity pool as a carbon supply for GPP. The neglected role of alkalinity in the freshwater carbon cycle is highlighted throughout an annual cycle. In addition, we show that bicarbonate-fixation by primary producers, far from being anecdotical, can be the dominant model for hardwater lakes.
Finally, all the results of these three studies coupled with the existing literature allow us to propose a conceptual carbon cycle for large and deep hardwater lakes. It highlights the complex interaction of physical and biogeochemical processes responsible for CO2 emissions over an annual cycle and demonstrates that the lake can be considered as an active carbon transformer. To conclude, the limits and perspectives of this research are discussed with an emphasis on future estimates of CO2 fluxes from lakes integrated in time and space using new numerical tools such as the coupling of physical and biogeochemical models, and Deep Learning.
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Si les eaux intérieures ont été reconnues comme d'importants émetteurs de CO2 et réacteurs du cycle global du carbone, la lumière a été essentiellement faite sur les zones humides, le pergélisol et les lacs humiques, sous le paradigme selon lequel la sursaturation des lacs en CO2 découle de processus métaboliques. Dans ce tableau, les grands lacs profonds, avec des duretés de l’eau élevées, tels que le lac Léman, ont été largement négligés, considérés comme neutres vis à vis de l'atmosphère. Cependant, ces conceptions reposent sur des données mal résolues dans le temps et dans l'espace, ce qui conduit à une compréhension déficiente de la dynamique du CO2 de surface à petite échelle dans les grands lacs d'eau dure profonds et à des incertitudes majeures sur leurs émissions annuelles de CO2 estimées à l'échelle du lac. En utilisant le lac Léman comme site modèle, les principaux objectifs de cette thèse de doctorat sont (i) d'obtenir une compréhension à haute résolution de la dynamique et des flux de CO2 de surface au lac, (ii) de dénouer les liens physiques et processus biogéochimiques contrôlant les flux de CO2 à l'interface lac-atmosphère, et (iii) de dériver des directives méthodologiques sur la fréquence à laquelle les différentes composantes des flux de CO2 doivent être surveillées pour obtenir des estimations représentatives des flux annuels de CO2. Les flux de CO2 à la surface des lacs opèrent par un transport diffusif net, obéissant à la première loi de Fick, souvent exprimée comme 𝐹 = 𝑘(𝐶w − 𝐶sat), où F est le flux de gaz CO2, k est la vitesse de transfert du gaz, 𝐶w est la concentration de CO2 à la surface de l'eau, et 𝐶sat est la concentration de CO2 à saturation avec l'atmosphère. La ligne directrice de ce travail est la décomposition des termes de l'équation Fickienne pour quantifier le rôle des processus physiques et biogéochimiques sur leur dynamique. Dans cet objectif, la variation temporelle du CO2 de surface du lac et la vitesse d’échange de gaz a été mesurée à une résolution horaire tandis que leur composante spatiale a été abordée en comparant les environnements pélagiques et littoraux. Ces travaux ont bénéficié de l'initiative continue des stations off-shore et in-shore de surveillance haute fréquence : la plateforme LéXPLORE (profondeur 110 m) et le mât de Buchillon (profondeur 4 m), représentatifs des deux milieux.
La première étude est dédiée aux processus impliqués dans la vitesse de transfert du gaz (k). Les mesures directes et continues de k sont techniquement difficiles, de sorte que les valeurs de k introduites dans les estimations annuelles des flux de CO2 pour les lacs sont modélisées plutôt que quantifiées sur le terrain. Jusqu'à présent, les modèles k dans les lacs ont tenu compte de l'effet du cisaillement du vent (toutes tailles de lacs) et de la convection (petits lacs). Contrairement aux études océanographiques, l'effet des vagues de surface, bien qu’occasionnellement présent dans les grands lacs lorsque le fetch du vent (distance de bord à bord d’un lac ou distance d’un bord à un point donnée sur le lac) est suffisamment long, n'est généralement pas inclus dans les modèles de k pour les lacs. Ici, nous démontrons que la prise en compte des vagues de surface générées lors d'événements venteux (> 5 m s– 1) améliore considérablement la précision des estimations de k dans les grands lacs (fetch > 15 km). L’application sur une période de 1 an du nouveau modèle k amélioré montre que des événements extrêmes épisodiques avec des vagues de surface peuvent générer plus de 20% du k cumulé annuel et plus de 25% des flux nets annuels de CO2 dans le lac Léman. De plus, l'intégration de la variabilité spatiale du k est proposée à l'aide d'un modèle météorologique spatial.
Étant donné que tous les termes de l'équation de flux sont difficiles à mesurer ou à paramétrer à une résolution fine à l'échelle temporelle et spatiale sur des périodes annuelles, peu d'études peuvent relier simultanément les variabilités du flux de CO2, du CO2 de l'eau et de k. L'objectif de cette deuxième étude est d'évaluer la fréquence minimale d'échantillonnage des données d'entrée, nécessaire aux estimations représentatives des flux annuels de CO2 à la surface d'un grand lac. Ici, nous montrons que des estimations représentatives des flux de CO2 nécessitent des k modèles à haute fréquence (horaire), tout au long de l'année, pour capturer des événements de turbulence intense mais de courte durée. Des mesures quotidiennes et hebdomadaires du CO2 de l'eau sont nécessaires pendant les périodes de transitions (printemps et automne), tandis que la fréquence d'échantillonnage du CO2 peut être relâchée pendant les périodes de stabilité comme l'été. En outre, nous montrons que les flux de CO2 littoraux, qui sont supérieurs d'un ordre de grandeur aux flux pélagiques, contribuent de manière significative aux émissions totales du lac même lorsque le littoral ne représente qu'une très petite part de la surface totale du lac. Enfin, nous proposons des solutions pour améliorer ces quantifications des échanges de gaz de CO2 en utilisant des outils numériques actuels tels que les modèles météorologiques spatiaux, les modèles hydrodynamiques et la reconstruction de données.
La dernière étude est consacrée à l'interaction entre l'alcalinité et les processus biologiques, en relation avec les dynamiques de CO2 de surface. Dans les systèmes d'eau douce alcalins tels que le lac Léman, l'apparente absence de limitation du carbone à la production primaire brute (GPP) à de faibles concentrations de CO2 suggère que les bicarbonates peuvent soutenir la GPP. Cependant, la contribution des bicarbonates à la GPP n'a jamais été quantifiée dans les lacs au fil des saisons. Nous pouvons démontrer pour la première fois que le CO2 disponible à la surface du lac n'est pas suffisant pour maintenir la GPP pendant les deux tiers de l'année dans le lac Léman. Pour soutenir le taux élevé de production d'O2, les producteurs primaires aquatiques pompent les bicarbonates de l'alcalinité pour soutenir la GPP. Le rôle négligé de l'alcalinité dans le cycle du carbone de l'eau douce est mis en évidence tout au long d'un cycle annuel. De plus, nous montrons que la fixation des bicarbonates par les producteurs primaires, loin d'être anecdotique, peut être le modèle dominant pour les lacs d'eau dure.
Finalement, l'ensemble des résultats de ces trois études, couplé à la littérature existante, permet de proposer un cycle conceptuel du carbone pour les grands lacs alcalins profonds. Il met en évidence l'interaction complexe des processus physiques et biogéochimiques responsables des émissions de CO2 sur un cycle annuel et démontre que le lac peut être considéré comme un transformateur de carbone actif. Pour conclure, les limites et les perspectives de cette recherche sont discutées en mettant l'accent sur les estimations futures des flux de CO2 des lacs intégrés dans le temps et dans l'espace à l'aide de nouveaux outils numériques tels que le couplage de modèles physiques et biogéochimiques, et le Deep Learning.