Le flux de carbone particulaire et le lien avec la communauté phytoplanctonique : une approche par flotteurs-profileurs biogéochimiques

The particulate carbon flux and the link with the phytoplankton community : an approach with BioGeoChemical-Argo profiling floats

• Auteur / Autrice : Louis Terrats
• Direction : Hervé Claustre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• 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 de Villefranche (Alpes-Maritimes ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Louis Legendre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Griet Neukermans, Frédéric Le Moigne, Ivona Cetinic, Antoine Mangin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hubert Loisel, Laurent Mémery

Mots clés

Mots clés contrôlés

Océanographie -- Appareils et matériel

Interaction mer-atmosphère

Cycle du carbone

Phytoplancton marin

Mots clés libres

Cycle de carbone

Pompe Biologique de Carbone

Pompe gravitationnelle

Phytoplancton

Flotteurs BioGeoChimique-Argo

Coccolithophores

Carbon cycle

Biological Carbon Pum

Gravitational Pump

Phytoplankton

BioGeoChemical-Argo (BGC-Argo) floats

Coccolithophores

Résumé

L'Océan est un acteur majeur du climat en échangeant avec l'atmosphère de grandes quantités de carbone. Le carbone atmosphérique est fixé à la surface de l’océan par le phytoplancton qui le transforme en carbone biogène, dont une partie est transportée vers l’océan profond par des mécanismes physiques et biologiques; il s’agit de la Pompe Biologique de Carbone (BCP). Une infime partie de ce carbone biogène atteindra des profondeurs suffisantes pour être séquestré durant plusieurs siècles avant qu'il ne retourne dans l'atmosphère, régulant les concentrations atmosphériques de CO2. Aujourd'hui, nous en savons assez sur la BCP pour reconnaitre son importance dans le climat, mais nos connaissances sur son fonctionnement sont limitées en raison d’un échantillonnage insuffisant des flux de carbone biogène. Dans ce travail de thèse, nous avons utilisé les flotteurs BioGéoChimique-Argo, plateformes d’observations conçues pour résoudre le problème du sous-échantillonnage, afin d’explorer un mécanisme majeur de la BCP qui est la pompe gravitationnelle. La pompe gravitationnelle est le transport du carbone biogène sous la forme de particules organiques (POC) qui sédimentent de la surface vers l’océan profond. Notre étude de la pompe gravitationnelle se divise en trois axes. Le premier axe consiste au développement d’une méthode pour détecter les floraisons de coccolithophoridés, groupe phytoplanctonique majeur qui a potentiellement un contrôle important sur le transport du POC en profondeur. Le deuxième axe est centré sur la variabilité saisonnière et régionale des flux de POC dans l’Océan Austral, qui est une zone sous-échantillonnée mais dans laquelle plusieurs flotteurs ont été déployés avec une trappe optique à sédiments (OST). Seuls une dizaine de flotteurs sont équipés d’OST, ce qui est faible en comparaison avec l’ensemble de la flotte BGC-Argo (i.e. plusieurs centaines de flotteurs). C’est pourquoi nous avons développé, dans le troisième axe, une méthode pour estimer le flux de POC avec les capteurs standards du programme BGC-Argo. Cette méthode a ensuite été appliquée à une centaine de flotteurs pour décrire la variabilité saisonnière du flux de POC dans de nombreuses régions océaniques. Dans ce travail de thèse, nous mettons également en évidence le lien entre la variabilité des flux et la nature des particules en surface. Par exemple, nous avons calculé des relations entre la composition de la communauté phytoplanctonique et les flux de POC à 1000m. En utilisant ces relations, nous avons ensuite utilisé les observations satellites pour extrapoler les flux de POC à de larges échelles spatiales, comme à l’ensemble de l’Océan Austral et de l’océan global.

The ocean plays a key role in the climate by exchanging large quantities of carbon with the atmosphere. Atmospheric carbon is fixed at the ocean surface by phytoplankton that transforms it into biogenic carbon, part of which is transported to the deep ocean by physical and biological mechanisms; this is the Biological Carbon Pump (BCP). A tiny fraction of this biogenic carbon reaches sufficient depths to be sequestered for several centuries before it returns to the atmosphere, thus regulating concentrations of atmospheric CO2. Today, we know enough about the BCP to recognize its importance in climate, but our knowledge of its functioning is limited due to insufficient sampling of biogenic carbon fluxes. Here, we used BioGeoChimical-Argo floats, observational platforms designed to solve the undersampling problem, to explore a major mechanism of the BCP called the gravitational pump. The gravitational pump is the transport of biogenic carbon in the form of organic particles (POC) that sink from the surface into the deep ocean. Our study of the gravitational pump is divided into three axes. The first axis consisted of developing a method to detect blooms of coccolithophores, a major phytoplankton group that potentially has an important control on the transport of POC at depth. The second axis focused on the seasonal and regional variability of POC fluxes in the Southern Ocean, an undersampled area in which several floats have been deployed with an optical sediment trap (OST). Only ten floats were equipped with an OST, which is low compared to the whole BGC-Argo fleet (i.e. several hundred floats). Therefore, in the third axis, we developed a method to estimate the POC flux with the standard sensors of BGC-Argo floats. This method was then applied to hundreds of floats to describe the seasonal variability of the POC flux in many regions. In this study, we also highlighted the link between the POC flux and the nature of surface particles. For example, we calculated relationships between phytoplankton community composition and POC flux at 1000m. Using these relationships, we then used satellite observations to extrapolate POC flux to large spatial scales, such as the entire Southern Ocean and the global ocean.