De l'interaction entre banquise, lumière et phytoplancton arctique

Interaction between Arctic sea ice, light and phytoplankton

• Auteur / Autrice : Marion Lebrun
• Direction : Gurvan Madec, Martin Vancoppenolle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanographie physique
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• 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 : Laurent Bopp, Camille Lique, Roland Séférian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marcel Babin, David Salas y Mélia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Thermodynamique de l'atmosphère

Phytoplancton marin

Glace de mer

Biogéochimie

Mots clés libres

Océan arctique

Glace de mer

Biogéochimie marine

Modèles du système terre

Transfert radiatif

Thermodynamique

Arctic Ocean

Sea ice

Marin biogeochemistry

Earth system model

Radiative transfer

Thermodynamics

Résumé

Une des sources majeures d'incertitudes à propos de nos connaissances sur les mécanismes gouvernant la croissance du phytoplancton dans les régions englacées arctiques est liée aux interactions entre banquise, lumière et phytoplancton arctique. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre ces interactions et de révéler les sources principales d'incertitude dans les modèles du système Terre. Je montre d'abord que la période d'eau libre arctique est majoritairement contrôlée par le cycle solaire et par les échanges thermodynamiques entre océan et atmosphère durant l'été. Selon les projections climatiques, elle devrait augmenter et se décaler vers l'automne. J'évalue ensuite le schéma de transfert radiatif du modèle d'océan, NEMO, dans la zone de banquise arctique. Je montre que le rayonnement transmis sous la banquise est aujourd'hui fortement sous-estimé, en raison notamment d'une surestimation de l'atténuation par la neige et par les premiers centimètres de l'océan couvert de banquise. Je définis, enfin, un diagnostic pour décrire le cycle saisonnier de la lumière disponible dans la zone de glace, et j'étudie son impact sur le phytoplancton simulé par le modèle biogéochimique, PISCES. Il reste néanmoins, de larges incertitudes pour comprendre la relation entre ce diagnostic et la croissance du phytoplancton.

Large weaknesses remain considering our understanding of the drivers of phytoplankton growth in Arctic sea ice zone, especially due to large uncertainties in the interactions between sea ice, light and phytoplankton.The aim of this PhD thesis is to better understand these interactions and to highlight the main uncertainties considering these interactions in Earth System Models. I first show that the ice-free period is mainly led by the solar irradiance cycle and by the ocean-atmosphere thermodynamic exchanges during summer. It is consequently projected to extend into fall in the future. Then, I evaluate the radiative transfer scheme in the ocean model NEMO, in arctic sea ice zone. I show that NEMO largely underestimates the transmitted shortwave radiation in ice-covered waters, especially due to the overestimation of the snow and the first level of the ocean attenuation. I finally define a diagnostic to describe available light seasonality in the sea ice zone and I study the impact of this diagnostic on simulated phytoplankton in the bio-geochemistry model PISCES. However, large uncertainties remain in the study of the relation between this diagnostic and the phytoplankton growth. This is especially due to the non-linearity between available light and phytoplankton growth and also due to the lake of knowledge about the phytoplankton physiology.