Le concept de Redfield en océanographie : révision de son utilisation à l'aide de l'outil modélisation

par Mathieu Mongin

Thèse de doctorat en Chimie marine

Sous la direction de Paul Tréguer.

Soutenue en 2005

à Brest .

mots clés

• Océanographie -- Modèles mathématiques
• Biochimie marine

Résumé

Les programmes océanographiques à différentes échelles réalisées depuis deux décennies ont mis en évidence la variabilité de la composition de la matière organique ainsi que les rapports entre éléments biogènes qui s'écartent parfois de ceux déterminés par Redfield (1934, 1958). Cette thèse propose de revisiter les travaux de Redfield et de ces successeurs à l'aide de l'outil modélisation, à travers deux questions principales : (1) les rapports de Redfield sont-ils variables et à quelles échelles ? (2) en tenant compte de la variabilité de ces rapports faut-il remettre en question notre vision du fonctionnement de l'écosystème marin ? Après une introduction sur les progrès de la biogéochimie marine, pour répondre à ces 3 questions, un modèle biogéochimique simple dans lequel la composition élémentaire de la matière organique est variable est présenté. Prenant comme point de départ le modèle de croissance phytoplanctonique de Droop (1974) , l'outil est appliqué aux stations permanentes : Bermuda Atlantic Times series (BATS) dans la mer des Bermudes (Atlantique), KERFIX dans le secteur indien de l'océan austral, et Hawaii Ocean Time Series (HOT) dans le Pacifique sub-tropical nord. La première application au système oligotrophe de BATS permet la mise en place du modèle : à l'échelle annuelle, les sorties du modèle reproduisent les profils de POC/PON observés, les écarts entre les résultats du modèle et les estimations de la production exportée à partir des pièges à particules et les méthodes chimiques sont expliqués, au niveau du cycle du silicium, la faible productivité des diatomées dans ce type de système est interprétée. Les systèmes oligotrophes de type BATS peuvent présenter une forte variabilité dans la composition de la matière organique, tant temporellement que verticalement. Dans le cas de KERFIX, le modèle biogéochimique, en tenant compte de la limitation de croissance cellulaire et permet d'identifier la combinaison de facteurs typiques du caractère High Nutrient Low Chorophyll (HNLC) de l'écosystème antarctique; les rapports élémentaires de la composition de la matière organique y sont relativement constants. La troisième application à HOT (Pacifique) permet d'expliquer la faible variabilité à l'échelle annuelle et la forte variabilité verticale de la composition de la matière organique observée dans ce type de système hyper-oligothrophe. Dans une partie synthétique, les avantages des modèles biogéochimiques à composition flexible sont présentés et discutés avant de donner réponse aux 3 questions scientifiques posées.

Titre traduit

Re-evaluation of the use of the Redfield ratio using a flexible composition model

Résumé

Oceanographic programs held over the past twenty years put forward the evidence that the elemental composition of the organic matter in the ocean is much more variable than previously thought. Strong deviation from the Redfiels's proportion is to be found in the ocean. After revisiting Redfield and his successors efforts in describing the ratios of elements in the ocean using modeling tools, implication for the biogeochemical cycle are discussed. This work addresses two core questions : (1) are the ratios of elements in the ocean variable, on which scales ? (2) Knowing those variations, should we reassess our vision of the ecosystem functioning ?After a general introduction about the recent progress in biogeochemistry, a flexible composition model of the upper ocean is presented to answer those questions. Starting with the Droop (1974) cell quota production model, our tool is applied to the Bermuda Atlantic Times Series (BATS) in the Sargasso sea (Atlantic), to the KERFIX station in the indian sector of the Southern Ocean and to the Hawaii Time Series (HOT) in the subtropical Pacific. The first application in the oligotrophic system BATS is used as a model validation study. On the annual scale, model outputs simulate the observed POC/PON profiles, and the difference between model fluxes and export fluxes from sediment traps and chemical methods is explained. In this typical oligotrophe region, elemental composition of the organic matter is highly variable spatially and temporally. The second application at the KERFIX station, simulating low iron concentration, light limitation and grazing pressure effect on primary production, leads to the typical HNLC system of the southern ocean in a more realistic way. The elemental ratio in these conditions only shows a small variability. The third application for the HOT system (pacific ocean) only shows vertical variations of the organic matter elemental ratios with no seasonal variability. The last part of the manuscrit goes back on the advantage of the flexible composition biogeochemical model and expose the result and variability of the elemental in order to answer the questions raised during this work.