Un nouveau regard sur la dynamique de l’océan Austral et ses interactions avec la cryosphère révélé par une approche isotopique

A fresh eye on Southern Ocean dynamics from a stable water isotopes approach

• Auteur / Autrice : Camille Akhoudas
• Direction : Jean-Baptiste Sallée, Gilles Reverdin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanographie physique
• Date : Soutenance le 26/06/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Damien Cardinal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Waelbroeck, Pierre Dutrieux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rosemary Morrow, Fabien Roquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isotopes stables

Cryosphère

Interaction mer-atmosphère

Austral, Océan

Circulation océanique

Mots clés libres

Océan Austral

Ventilation abyssale

Formation des masses d’eau

Plateformes de glace

Isotopes stables de l’eau

Interactions océan-atmosphère-cryosphère

Southern Ocean

Ventilation of the abyss

Water masses formation

Ice shelves

Stable water isotopes

Ocean-atmosphere-cryosphere interactions

Résumé

L’océan Austral est un acteur central de la circulation océanique mondiale et du système climatique terrestre. Malgré l’essor des observations in situ dans cette région reculée du globe depuis les années 1990 (avec notamment le début de « l’ère satellitaire » et des grands programmes internationaux d’observations tel que WOCE, CLIVAR, GO-SHIP, ou ARGO), ce vaste océan reste encore aujourd’hui largement méconnu. Il est pourtant nécessaire de parvenir à mieux observer et comprendre les mécanismes de sa dynamique océanique ainsi que sa variabilité afin de prédire au mieux l’évolution future du système climatique. Notamment, une des particularités qui rend l’océan Austral essentiel dans le système climatique est qu’il est l’un des principaux lieux de ventilation de l’océan profond, qui permet une redistribution et un stockage de chaleur, d’eau douce, de carbone, d’oxygène, et de nutriments, entre autres. Cette ventilation est en partie dirigée par une circulation verticale unique connectant la surface aux abysses océaniques, mise en mouvement par les intenses interactions et échanges de flux d’énergie et de flottabilité entre atmosphère, océan et cryosphère. Je me penche dans cette thèse sur certains aspects de la dynamique australe en m’efforçant d’apporter une vue mécanistique de la circulation grande échelle et des changements en cours. Un fil rouge méthodologique que j’emploie sur l’ensemble de cette thèse est l’utilisation d’observations des isotopes stables de l’eau, traceur passif utilisé couramment dans un grand nombre de disciplines des sciences de la terre, mais jusque récemment assez peu en océanographie physique. La mesure des isotopes de l’eau constitue un outil, qui en tant que traceurs de l’origine de l’eau, permet de mieux caractériser les différentes composantes du cycle hydrologique ainsi que son évolution. En particulier, la composition isotopique de l’eau de mer représente une empreinte importante des masses d’eau, contenant des informations sur les conditions de leur formation et leur évolution. Dans cette thèse, au-delà du travail méthodologique important sur le terrain et en laboratoire pour l’échantillonnage, l’analyse et la calibration des mesures isotopiques, j’utilise les isotopes de l’eau en combinaison avec d’autres traceurs plus conventionnels pour aborder avec un nouveau regard, les questions du rôle des interactions entre océan et calotte polaire à la circulation grande échelle, de la signature des eaux de surface dans les abysses, ou encore de l’impact des changements de régimes atmosphériques ou de fonte de la cryosphère sur l’océan de surface. Au-delà de la seule utilisation des isotopes stables de l’eau, les approches que j’ai mises en place m’ont permis de documenter la quantité de fonte et de regel d’une des plus grandes cavités glaciaires au monde, qui influence les caractéristiques des masses d’eau denses, précurseurs des eaux abyssales se formant en mer de Weddell. Mes résultats mettent également à jour la proportion que représente, in fine, ces eaux denses dans la production des eaux abyssales dans le secteur Atlantique de l’océan Austral. Je détaille les processus qui mènent à la formation des eaux abyssales et avec cette nouvelle force, je montre que des estimations passées de la production d’eaux abyssales en apparente contradiction, s’attaquaient en réalité à différents processus. Finalement, je quantifie les changements des apports en eau douce lors des trois dernières décennies sur les tendances des propriétés de surface dans le secteur Indien de l’océan Austral. Mes résultats démontrent que des changements dans le régime des précipitations expliquent les changements des caractéristiques de l’océan surface affectant la stratification avec des conséquences sur la formation des masses d’eau et la circulation de retournement de l’océan Austral à grande échelle.

The Southern Ocean is a key component in global ocean circulation and the Earth's climate system. Despite the increase of in situ observations in this remote region since the 1990s (notably with the « satellite era » and major international observation programs such as WOCE, CLIVAR, GO-SHIP, or ARGO), this immense ocean remains largely unknown. However, it is essential to observe and understand the mechanisms of its dynamics as well as its variability with the aim to predict the future evolution of the climate system. In particular, one important characteristic of the Southern Ocean is that it is one of the main sites of deep ocean ventilation, which allows redistribution and sequestration of heat, freshwater, carbon, oxygen, and nutrients. This ventilation process is mainly associated with a vertical circulation connecting the ocean surface to the abyss, fueled by intense interactions and exchanges of energy and buoyancy fluxes between atmosphere, ocean and cryosphere. In this thesis, I apprehend some aspects of the Southern Ocean dynamics by providing a mechanistic view of large-scale circulation and its ongoing changes. The approach I use throughout this thesis is based on observations of stable water isotopes, a passive tracer commonly used in a large number of earth science disciplines, but until recently only sparsely used in physical oceanography. Stable water isotopes constitute a robust tool which, as a tracer of the origin of water, help to better characterize the different components of the hydrological cycle as well as its evolution. In particular, the isotopic composition of seawater represents an important imprint of water masses, containing information on the conditions of their formation and their evolution. In this thesis, beyond the important methodological work at sea and in the laboratory for the sampling, analysis and calibration of isotopic measurements, I use the stable water isotopes in combination with other more conventional tracers to apprehend, with a new perspective, the questions of the role of interactions between the Southern Ocean and the Antarctic Ice Sheet in large-scale circulation, the signature of surface waters in the abyss, or even the impact of changes in atmospheric or cryosphere regimes on the surface ocean. Beyond the only use of stable water isotopes, original approaches have allowed me to document melting and refreezing of one of the largest ice shelves in the world, which influences the characteristics of the dense waters, precursors of abyssal waters produced in the Weddell Sea. My results also reveal the proportion of these dense waters in bottom water formation in the Atlantic sector of the Southern Ocean. We detail the processes that lead to the formation of bottom waters and with this new insight, we demonstrate that past estimates of bottom water production, in apparent contradiction, were actually focusing on different processes. Finally, I propose to quantify the changes in freshwater inputs over the past three decades that influence the trends in surface properties in the Indian sector of the Southern Ocean. The results demonstrate that changes in the precipitation regime explain changes in the surface ocean characteristics impacting stratification with consequences for large-scale water mass formation and overturning circulation in the Southern Ocean.