Contraintes apportées par les traceurs et modèles sur la ventilation profonde de l'océan Pacifique

Tracer and model constraints on the ventilation of the deep Pacific Ocean

• Auteur / Autrice : Bruno Millet
• Direction : Didier Roche, William Gray, Casimir de Lavergne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 26/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Masa Kageyama
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elaine McDonagh, David Ferreira, Juliette Mignot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elaine McDonagh, David Ferreira

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pacifique (océan)

Isotopes de l'oxygène

Mer

Ventilation

Mots clés libres

Ventilation de l'océan

Océan Pacifique

Isotopes de l'oxygène

Ocean ventilation

Pacific Ocean

Oxygen isotopes

Résumé

L'océan Pacifique représente environ 50% du volume global des océans, ce qui en fait un acteur essentiel des cycles biogéochimiques globaux et de leur réponse aux perturbations. En particulier, l'océan Pacifique profond abrite des réservoirs majeurs de carbone et de nutriments, dont la taille et les variations sont largement contrôlées par les transports physiques de traceurs. Dans cette thèse, nous visons à mieux comprendre et contraindre le transport de traceurs dans l'océan Pacifique profond à travers les états climatiques. Pour cela, nous générons de nouvelles et utilisons d'anciennes observations de traceurs conservatifs, notamment les isotopes de l'oxygène, ainsi que des modèles numériques de circulation océanique. Nous montrons que le mélange isopycnale a un contrôle essentiel sur la ventilation des profondeurs moyennes du Pacifique. Un retour des eaux abyssales vers la surface est identifié dans le Pacifique subarctique moderne. Cette voie de remontée semble avoir diminué pendant le dernier maximum glaciaire, il y a environ 20 000 ans, et le Pacifique Nord profond pourrait avoir été plus fortement stratifié. Cependant, les preuves de changements nécessaires dans le sud du bassin pour expliquer cette stratification profonde restent rares. Les modèles de pointe de circulation océanique peinent à représenter les trajectoires des traceurs et les vitesses de ventilation dans le Pacifique Nord moderne, déduites des observations. Cependant, ces trajets de traceurs restent insuffisamment contraints et la dynamique sous-jacente est mal comprise. L'analyse des mesures in situ du rapport isotopique de l'oxygène 18 (18O) de l'eau de mer constitue un moyen efficace pour mieux contraindre les origines et les itinéraires des traceurs dans l'océan profond : les observations actuelles de 18O dans les océans Austral, Indien et Pacifique permettent de mieux comprendre ces itinéraires. Nous suggérons que des mesures supplémentaires de 18O à partir d'échantillons d'eau de mer modernes et de coquilles de calcite dans les carottes de sédiments fourniraient des contraintes précieuses sur les réservoirs et les flux de traceurs actuels et passés dans l'océan profond.

The Pacific Ocean represents about 50% of the global ocean volume, making it an essential player in global biogeochemical cycles and their response to external perturbations. In particular, the deep Pacific Ocean hosts major reservoirs of carbon and nutrients, whose size and variations are largely controlled by physical tracer transports. In this thesis, we aim to better understand and constrain the transport of tracers in the deep Pacific Ocean across climate states. We use historical and new observations of conservative tracers, notably oxygen isotopes, combined with numerical models of ocean circulation. We show that isopycnal mixing is an essential control of the ventilation of Pacific mid-depths. A return of abyssal waters to the surface is identified in the modern subarctic Pacific. This upwelling pathway may have been weaker during the Last Glacial Maximum about 20,000 years ago, and the deep North Pacific may have been more strongly layered; however, evidence for the required end member changes in the south of the basin to explain this deep layering remains sparse. State-of-the-art prognostic models of global ocean circulation struggle to represent observationally inferred tracer pathways and turn-over times in the modern North Pacific. However, these tracer pathways remain insufficiently constrained and the underlying dynamics are poorly understood. Analysis of in-situ measurements of the oxygen-18 (18O) isotopic ratio of seawater provides an efficient means to better constrain the origins and routes of tracers in the deep ocean: insights on these routes are derived from existing 18O observations in the Southern, Indian, and Pacific Oceans. We suggest that additional measurements of 18O from modern ocean water samples, and from calcite shells in sediment cores, would provide valuable constraints on present-day and past tracer reservoirs and fluxes in the deep ocean.