Thesis. 1975. M.S.--Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Meteorology. / Bibliography: leaves 104-107. / by Bruce B. Parker / M.S.

Thesis (M.S.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Meteorology, 1979. / Microfiche copy available in Archives and Science. / Bibliography : leaves 89-90. / by Daniel Golan. / M.S.

Thesis (Ph. D.)--Joint Program in Oceanography (Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences; and the Woods Hole Oceanographic Institution), February 2006. / Includes bibliographical references. / Benthic and planktonic foraminiferal [delta]18O ([delta 18Oc) from a suite of well-dated, high-resolution cores spanning the depth and width of the Straits of Florida reveal significant changes in Gulf Stream cross-current density gradient during the last millennium. These data imply that Gulf Stream transport during the Little Ice Age (LIA: 1200-1850 A.D.) was 2-3 Sv lower than today. The timing of reduced flow is consistent with cold conditions in Northern Hemisphere paleoclimate archives, implicating Gulf Stream heat transport in centennial-scale climate variability of the last 1,000 years. The pattern of flow anomalies with depth suggests reduced LIA transport was due to weaker subtropical gyre wind stress curl. The oxygen isotopic composition of Florida Current surface water ([delta]18Ow) near Dry Tortugas increased 0.4%0/ during the course of the Little Ice Age (LIA: -1200-1850 A.D.), equivalent to a salinity increase of 0.8-1.5 psu. On the Great Bahama Bank, where surface waters are influenced by the North Atlantic subtropical gyre, [delta]18Ow increased by 0.3%o during the last 200 years. Although a portion (-O. 1%o) of this shift may be an artifact of anthropogenically-driven changes in surface water [Epsilon]CO2, the remaining [delta]18Ow signal implies a 0.4 to 1 psu increase in salinity after 200 yr BP. / (cont.) The simplest explanation of the [delta]18Ow, data is southward migration of the Atlantic Hadley circulation during the LIA. Scaling of the [delta]18Ow records to salinity using the modern low-latitude 180,w-S slope produces an unrealistic reversal in the salinity gradient between the two sites. Only if [delta]18Ow is scaled to salinity using a high-latitude [delta]18Ow-S slope can the records be reconciled. Changes in atmospheric 14C paralleled shifts in Dry Tortugas [delta]18Ow, suggesting that variable solar irradiance paced centennial-scale Hadley cell migration and changes in Florida Current salinity during the last millennium. / by David C. Lund. / Ph.D.

The global ocean currently absorbs over a third of anthropogenic carbon dioxide (CO₂) emissions, slowing down the growth of atmospheric CO₂, and thus moderating climate change. However, there is significant variability in the strength of the ocean carbon sink on interannual to decadal timescales. There are also uncertainties in the ocean carbon sink, a source of which lies in the coastal ocean. Coastal carbon fluxes are globally relevant and highly variable, but due to the paucity of observations, the coastal ocean remains largely unconstrained. Quantifying and understanding the variability of the ocean carbon sink, and constraining its uncertainties, is essential for supporting climate policy and predicting how the ocean will continue to moderate climate change in the future. This is challenging due to the complex physical and biogeochemical processes in the ocean, as well as the limited observations of ocean carbon. The goal of this thesis is to contribute to the understanding of the ocean carbon cycle and its variability with observations of CO₂ fluxes in the coastal ocean (Chapter 2), a multi-model study of surface carbon interannual variability (Chapter 3), and a mechanistic investigation of decadal variability of air-sea CO₂ fluxes in the global ocean (Chapter 4). (Chapter 2) Jamaica Bay is a hypereutrophic coastal urban estuary within the land-ocean aquatic continuum. Anthropogenic perturbations to the carbon cycle of the continuum are often excluded from global carbon budgets. Studies have shown that not accounting for the lateral transport of anthropogenic carbon through the continuum can lead to an overestimation of land carbon sinks and an underestimation of ocean carbon sinks. In this study, we used the direct covariance method to make direct estimates of CO₂ fluxes in Jamaica Bay. Over a 587-day observational study, Jamaica Bay emitted CO₂ to the atmosphere at an average rate of 130 gC/m2/yr. However, we find that the waters within the estuary are a strong CO₂ sink (-170 gC/m2/yr). Thus, on average, air-water CO₂ fluxes damp estuary emissions. We find that the water CO₂ sink is strongest in the summer due to the growth of intense algal blooms which likely drawdown CO₂ via photosynthesis. Although the direction of air-water CO₂ flux is ultimately a function of surface carbon concentrations, we find that in the summer, sea-breeze is a near-daily forcing agent for air-water CO₂ fluxes, contributing up to 43% of the mean summer water CO₂ sink rate. (Chapter 3) The El Nino-Southern Oscillation (ENSO) in the equatorial Pacific is the dominant mode of global air-sea CO₂ flux interannual variability (IAV). Air-sea CO2 fluxes are driven by the difference between atmospheric and surface ocean pCO₂, with variability of the latter driving flux variability. Previous studies found that models in Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) failed to reproduce the observed ENSO-related pattern of CO₂ fluxes and had weak pCO₂ IAV, which were explained by both weak upwelling IAV and weak mean vertical DIC gradients. We assess whether the latest generation of CMIP6 models can reproduce equatorial Pacific pCO₂ IAV by validating models against observations-based data products. We decompose pCO₂ IAV into thermally and non-thermally driven anomalies to examine the balance between these competing anomalies, which explain the total pCO₂ IAV. The majority of CMIP6 models underestimate pCO₂ IAV, while they overestimate SST IAV. Insufficient compensation of non-thermal pCO₂ to thermal pCO₂ IAV in models results in weak total pCO₂ IAV. We compare the relative strengths of the vertical transport of temperature and DIC and evaluate their contributions to thermal and non-thermal pCO₂ anomalies. Model-to-observations-based product comparisons reveal that modeled mean vertical DIC gradients are biased weak relative to their mean vertical temperature gradients, but upwelling acting on these gradients is insufficient to explain the relative magnitudes of thermal and non-thermal pCO₂ anomalies. (Chapter 4) The ocean carbon sink has absorbed about 25% of anthropogenic emissions, thus mitigating the effects of climate change. Over time, the ocean carbon sink has grown almost proportionally with the growth of atmospheric CO₂ concentrations. However, natural variability in the ocean carbon sink combined with large uncertainties, makes it hard to distinguish changes in the ocean sink due to natural variability versus the forced-trend. Thus, there is a need to understand and quantify the variability in the ocean carbon sink. Using the LDEO-Hybrid Physics Data product (1959-2020), we assess the decadal variability of global air-sea CO₂ fluxes. Here, we compare regional contributions to the decadal variability of the global ocean carbon sink and evaluate global patterns of decadal changes to elucidate the mechanisms that drive the dominant mode of global air-sea CO₂ flux decadal variability. We find that the dominant mode of decadal air-sea CO₂ flux variability exhibits strong synchronous signals over the tropical Pacific and Southern Ocean. We suggest that the synchronicity between the tropical Pacific and the Southern Ocean is modulated by the Pacific Decadal Oscillation (PDO) index, which is connected to the Multivariate ENSO Index (MEI). The composite patterns over the tropical Pacific can be explained by ENSO-like mechanisms operating on the decadal timescale, while the composite patterns over the Southern Ocean show a different regime where the westerly winds weakened over the composite period, the mixed layer shoaled, and the Southern Ocean sink weakened. Using a box model, we show that this reduction in mixed layer entrainment drives an accumulation of DIC in the mixed layer, which, when amplified by the high Revelle factor in the Southern Ocean, results in a 14-fold amplification in the surface pCO₂, reducing the ocean's capacity to uptake CO₂.

Thesis (Ph.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Earth and Planetary Sciences, 1980. / MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND LINDGREN. / Vita. / Bibliography : leaves 203-209. / by Douglas Scott Luther. / Ph.D.

No description available.

Ce travail de thèse vise à déterminer si le couplage de l'atmosphère avec la surface marine joue un rôle dans la variabilité intrasaisonnière estivale de la circulation atmosphérique de grande échelle et si la surface marine peut être une source de prévisibilité potentielle pour l'atmosphère à ces échelles de temps. Un second objectif consiste en l'analyse de l'impact de la représentation des processus physiques dans l'océan superficiel, et en particulier l'impact des variations diurnes océaniques, sur la représentation des températures de surface océanique et sur la circulation atmosphérique de grande échelle à des échelles de temps supérieures. Pour mener à bien ces travaux, le modèle océanique 1D CNRMOM1D a été développé : le choix des paramétrisations utilisées dans ce modèle vise à optimiser la représentation des processus physiques dominant l'évolution des températures de surface océanique aux échelles de temps diurnes à intrasaisonnières. Les résultats, obtenus à partir de simulations numériques effectuées avec le modèle d'atmosphère ARPEGE-climat forcé ou couplé avec le modèle CNRMOM1D, suggèrent que les anomalies de températures de surface océanique induites par la circulation atmosphérique de grande échelle exercent sur celle-ci une rétroaction négative aux échelles de temps intrasaisonnières : le couplage avec la surface océanique dans la région Nord-Atlantique Europe (NAE) diminue le nombre de jours de persistance des régimes de temps estivaux de Dépression Atlantique, de Blocage et de NAO- d'environ 1 jour ce qui représente 15% de leur persistance moyenne, cette diminution étant variable selon le régime de temps. A partir de simulations forcées du modèle CNRMOM1D, on montre que la correction en SST liée à la prise en compte des variations diurnes océaniques peut atteindre environ 0.3°C à 0.5°C en moyenne journalière. Cette anomalie peut persister 15 à 40 jours dans les moyennes latitudes, plus de 60 dans les Tropiques. De plus, à partir de simulations couplées avec le modèle ARPEGE-climat, on montre que la variabilité diurne océanique peut affecter l'état moyen estival par une diminution du gradient méridien de SST, une diminution de l'extension de la glace de mer, une anomalie de circulation atmosphérique de grande échelle qui se projette sur une phase positive de la NAO ainsi que des modifications de la couverture nuageuse et des profils d'humidité atmosphérique. Ce travail montre les améliorations potentielles, en termes d'états moyens océanique et atmosphérique et en termes de variabilité intrasaisonnière, que peuvent apporter un couplage à fréquence horaire et l'utilisation d'un modèle de circulation générale océanique à haute résolution verticale dans les simulations couplées océan-atmosphère.

Fine couche de glace flottant à la surface des océans polaires, la banquise est un objet dynamique qui joue un rôle clé dans le système climatique. Isolant l'océan de l'atmosphère, la banquise contrôle par l'intermédiaire de l'épaisseur de glace et de la fraction d'eau libre les flux d'énergie entre ces deux milieux, et ce de manière fortement non linéaire : dans une banquise dont 0.5% de la surface est constituée de fractures, 50% des flux de chaleur s'effectuent le long de ces fractures. Il apparait donc essentiel de mieux comprendre et modéliser les processus de déformation et de rupture de la banquise. Dans la première partie de ce travail, le cadre de modélisation mécanique actuellement utilisé dans les modèles de banquise, la rhéologie Visqueuse-Plastique (VP), est évalué sur la base des propriétés statistiques et propriétés d'échelle des vitesses de dérive et de déformation de la banquise. Ces propriétés jouent un rôle important pour les flux de chaleur air-mer et la production de glace, d'autre part elles peuvent être considérées comme une empreinte du comportement mécanique de la banquise. Cette évaluation met en évidence les limitations du cadre de modélisation VP et notamment son incapacité à reproduire les propriétés de déformation de la banquise. Cela suggère que la rhéologie VP n'est pas adaptée à la modélisation de la banquise. Le nouveau cadre de modélisation mécanique developpé au cours de cette thèse fait l'hypothèse que la déformation de la banquise est principalement accommodée par fracturation et glissement le long de failles (comportement fragile) sur une vaste gamme d'échelles (transmission de contraintes à grande distance). Dans ce nouveau modèle, baptisé la rhéologie Elasto-Fragile (EB), la banquise est considérée comme une plaque solide élastique, permettant les interactions à grande distance, associée à une loi d'endommagement progressive, décrivant un comportement fragile. Le modèle EB est premièrement utilisé pour mener une étude fondamentale sur la rupture dans les matériaux hétérogènes. Une divergence de la longueur de corrélation est mise en évidence à partir des fonctions de corrélation des évènements d'endommagement ainsi que par l'analyse d'échelle du champ de déformation. Les propriétés d'échelles du champ de déformation qui émergent à l'approche de la rupture sont proche de celles observées pour la déformation fragile des objets géophysiques tel que la banquise ou la croûte terrestre. Ces résultats soutiennent l'analogie entre rupture et point critique. Une application idéalisée de la rhéologie EB à la banquise Arctique, adaptée à des simulations courtes (3 jours), est présentée. Les propriétés statistiques et propriétés d'échelle obtenues pour la déformation simulée sont comparables à celles obtenues pour la banquise. Ces premiers résultats prometteurs soutiennent que les propriétés de déformation de la banquise émergent du comportement mécanique élasto-fragile de la banquise et motivent l'implémentation de la rhéologie EB dans les modèles globaux de banquise. Sur des périodes de temps plus longues, l'effet du regel des failles et fractures présentent au sein de la banquise doit être pris en compte. Une loi de cicatrisation décrivant ce processus est présentée ainsi que des résultats préliminaires de simulations prenant en compte cet aspect. Finalement, une méthodologie pour l'implémentation de la rhéologie EB dans un modèle global de banquise est présentée.

L'étude de la solubilité et de la spéciation redox du fer d'origine désertique en phase aqueuse atmosphérique est essentielle pour estimer l'impact des apports atmosphériques en fer sur la production primaire marine et donc sur le cycle biogéochimique du carbone. Dans ce contexte, l'objectif de ma thèse était d'étudier les relations entre le statut minéralogique du fer et sa solubilité/spéciation redox en phase aqueuse atmosphérique au cours du cycle atmosphérique des particules désertiques. J'ai ainsi mené en parallèle (i) une étude en laboratoire pour caractériser la solubilité et la spéciation rédox du fer dissous issu des différents minéraux qui constituent l'aérosol désertique et (ii) une caractérisation fine sur le terrain de la physico-chimie, de la minéralogie et de la solubilité/spéciation redox du fer dans les aérosols désertiques et dans les pluies en zones sources désertiques et en zones de transport (axe Afrique de l'Ouest-Atlantique tropical). Un des principaux résultats émanant de ces travaux montre que parmi les minéraux typiquement trouvés dans les aérosols désertiques, ce sont les argiles qui contribuent majoritairement à libérer du fer en phase dissoute, au détriment des (hyd)oxydes de fer jusqu'à présent identifiés comme les principaux fournisseurs de fer dissous. Les mesures réalisées sur des aérosols permettent de conclure que cette approche originale, via la composition minéralogique de l'aérosol, pourrait, à terme, permettre de paramétriser la solubilité du fer, voir même son évolution au cours du cycle atmosphérique des particules. Les mesures réalisées dans les pluies révèlent toutefois qu'il est important de prendre en compte l'ensemble des facteurs d'influence et notamment l'effet de l'irradiation ou de la composition chimique de la phase aqueuse.

L'atmosphère terrestre est le siège d'un transport de matière, en particulier d'éléments d'origines diverses, dont une proportion importante résulte des activités humaines. Ce phénomène induit des conséquences parfois graves, pour la santé humaine et pour la fonctionnalité des écosystèmes. Les éléments ainsi transférés sont redéposés, de manière complexe, à la surface de la terre, avec une cartographie de distribution très inégale, des possibilités d'accumulation, ou au contraire de dilution, variables, conduisant à des altérations diversifiées de la composition des eaux et des sols et de la fonctionnalité des êtres vivants. La redéposition atmosphérique est étudiée depuis une cinquantaine d'année sur les troncs des arbres, qui constituent une matrice verticale commune, très enrichie par l'apport atmosphérique, et pouvant mener soit à une analyse de composition, soit à des études de bioindication. Il en a découlé des tests de routine largement utilisés. Cependant, pour définir avec précision les apports d'origine anthropique et mieux maîtriser, en vue de les réduire, les apports anormaux ou dangereux, une étude en profondeur de cette déposition corticale devait être entreprise. C'est l'objet de ce mémoire. Au regard de la complexité du problème abordé, nous nous sommes essentiellement limité à l'étude d'une seule espèce d'arbre : Fraxinus excelsior L., très commun dans notre zone d'étude et couvrant une vaste échelle d'altitude. Notre démarche analytique a consisté à combiner une analyse élémentaire très complète et sensible, l'ICP-MS avec une observation en microscopie à balayage couplée à la détermination de l'émission de rayons X spécifique des éléments présents. Cet ensemble de deux méthodes a permis de combiner identification - dosage précis - localisation - distinction entre états particulaire et dispersé. La déposition atmosphérique a été considérée sur une échelle de temps allant de 3 mois à 40 ans, en séparant les pousses successives des arbres. Nous avons séparé le dépôt superficiel sur les surfaces végétales d'une fraction solidement intégrée dans les tissus des tiges, spécialement le suber. Ces deux entités ne correspondent pas à la même chronologie. Nous avons montré que le dépôt de surface était, de fait, un écosystème construit sur un biotope alimenté conjointement par l'atmosphère et par l'arbre lui-même et qu'il comportait une phase vivante reviviscente et pour partie photosynthétique. Ce dépôt superficiel est déplacé en grande partie par la pluie. Le suber, couche apoplastique imperméable, a une bonne capacité de rétention des éléments à long terme et constitue, comparativement aux autres tissus des tiges, une matrice très intéressante pour percevoir l'apport atmosphérique sur plusieurs décennies. Pour déterminer valablement les apports atmosphériques d'origine anthropique qui s'accumulaient dans ces deux types de matrices, nous avons conçu un système de calcul (AAEF) permettant de les séparer des apports géogéniques et biologiques. Par ailleurs, constatant que l'apport atmosphérique comportait deux types de constituants, soit dispersés, soit particulaires, nous avons conçu et mis en oeuvre un protocole de fractionnement basé 1) sur l'incinération, 2) sur les traitements successifs à l'eau et à l'acide nitrique concentré (2N) qui nous a permis d'étudier isolément une phase particulaire dans laquelle la masse des matériaux géogéniques se trouve rassemblée avec l'essentiel du plomb et du manganèse, la phase HNO3 concentrant les éléments comme le cuivre et le zinc et une phase H2O contenant l'essentiel du potassium. Les profils de distribution entre les différentes fractions semblent constituer une information intéressante sur la spéciation de plusieurs types d'éléments. L'ensemble du corpus méthodologique ainsi édifié permet d'accéder à des études assez réalistes d'historique et de distribution géographique des polluants élémentaires à des échelles de distances variées.