Modélisation de la coagulation et de la fragmentation des particules marines dans le couplage pélago-benthique et son application au cas de la polynie des eaux du nord

Gremion, Gwenaëlle (2021). Modélisation de la coagulation et de la fragmentation des particules marines dans le couplage pélago-benthique et son application au cas de la polynie des eaux du nord. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER), 237 p.

Prévisualisation

PDF Télécharger (16MB) | Prévisualisation

Résumé

RÉSUMÉ: La pompe de carbone organique conduit à la séquestration du carbone produit et transformé en surface par les producteurs primaires et la biocénose, via son transfert vertical en profondeur. Le délai, la quantité et la forme de carbone exporté sont des facteurs majeurs qui influencent les communautés benthiques. Cette dépendance entre les processus de production pélagique et de consommation benthique fait partie du couplage pélago-benthique et est fortement modulée par tous changements dans le milieu. Ainsi, dans un contexte de changements climatiques il existe un réel besoin de mieux caractériser le flux vertical de matière organique particulaire dans l'océan pour appréhender le devenir du cycle du carbone à l'échelle mondiale. Le devenir du carbone particulaire repose en grande partie sur la formation d'agrégats par coagulation des particules marines, ce qui augmente de plusieurs ordres de grandeur leur vitesse de chute et par conséquent les flux verticaux de carbone. Les modèles biogéochimiques couplés à des modèles de circulation générale de l'océan sont des outils de premier plan pour quantifier le devenir du carbone. La plupart des paramétrisations sont basées sur des relations empiriques qui doivent être ajustées en fonction des régions et des conditions. Pour préserver la capacité prédictive des modèles dans un contexte de changements environnementaux, des modèles mécanistes basés sur les principes de bases des processus que l'on souhaite représenter. L'objectif général de cette thèse est de développer une paramétrisation représentative, robuste et efficace des processus de coagulation et de fragmentation.Le premier chapitre présente une nouvelle paramétrisation basée sur l'équation discrète de Smoluchowski pour la coagulation et la fragmentation de particules organiques marines. La robustesse de la paramétrisation vis-à-vis du nombre de classes de taille et de la non-linéarité de la discrétisation du spectre est étudiée pour des conditions initiales idéalisées. Les résultats montrent que dans une configuration où les tailles sont discrétisées linéairement, le modèle est indépendant de la résolution. Cependant, des biais importants sont observés si l'on discrétise de façon non linéaire. Une première tentative d'atténuation de l'effet de la non-linéarité du spectre de taille est présentée et montre une amélioration significative dans la réduction des biais observés.Le deuxième chapitre poursuit l'analyse des biais associés aux non-linéarités inhérentes du problème, soit celles associées au spectre de taille, mais également celles associées au contenu élémentaire en carbone des particules, à la distribution des concentrations ainsi qu'aux taux de réactions. Les résultats démontrent qu'il existe une discrétisation qui minimise l'erreur par rapport à la référence et que cette discrétisation optimale peut changer en fonction de la pente de distribution des concentrations, car la concentration est redistribuée le long du spectre. Cependant, des expériences de sensibilité supplémentaires devraient être menées pour tester une plus grande variété de régimes de paramètres.Le chapitre 3 utilise la paramétrisation développée dans les chapitres précédents pour étudier un aspect du couplage pélago benthique dans la polynie des Eaux du Nord. La modification du régime des glaces dans la polynie dans les dernières décennies a entraîné une dilution de la production primaire en surface jusqu'alors plutôt concentrée dans une région restreinte au sud du pont de glace. En revanche, la croissance d'organismes benthiques retrouvés au centre de la polynie indique une augmentation du flux vertical de matière organique particulaire sur la même période. À l'aide de la paramétrisation, l'hypothèse selon laquelle les organismes benthiques aient pu bénéficier de la production primaire issue des régions périphériques à la polynie (matière allochtone) est testée. Pour ce faire, une analyse est réalisée pour permettre de déterminer les tailles des particules et leurs vitesses de chute associées, nécessaires pour remplir les conditions d'export recherchées. Ensuite, le temps requis pour qu'une distribution de particules phytoplanctoniques de surface coagule pour créer des agrégats de tailles suffisantes est estimé. Les résultats indiquent que selon si les particules sont sujettes à la formation d'agrégats par coagulation, les distributions phytoplanctoniques actuelles pourraient être à l'origine du flux de matière fraîche retrouvée en profondeur dans la polynie.En conclusion, cette thèse apporte une nouvelle paramétrisation pour la transformation de la matière particulaire dans la colonne d'eau. Développée dans un premier temps dans un environnement 0D, sans connexion avec des variables biologiques, les résultats actuels sont prometteurs pour permettre son intégration ultérieure dans un modèle biogéochimique couplé à un modèle de circulation générale de l'océan afin de caractériser le rôle des réactions de coagulation et fragmentation dans les estimations d'export de carbone. -- Mot(s) clé(s) en français : Pompe biologique ; Flux vertical de carbone ; Couplage pélago-benthique ; Particules marines ; Coagulation ; Fragmentation ; Modèles ; polynie des Eaux du Nord. --
ABSTRACT: The ocean's biological pump plays an important role in the global carbon cycle by transferring carbon that is produced and transformed at the surface by primary producers and biocenosis to the deep ocean where it is trapped. Time, quantity and exported carbon type are the main factors controlling benthic communities. The interdependence between pelagic carbon production and its consumption by benthic biota is referred to as bentho-pelagic coupling. This coupling is strongly affected by any change in the environment. Thus, it is critical to consider ongoing climate variations in order to properly quantify the vertical export of particulate organic matter in the ocean and understand the future of the worldwide carbon cycle. Aggregate formation via the coagulation of marine particles increases considerably their settling velocity and therefore enhances vertical carbon export. The biochemical models coupled to ocean general circulation models are the leading tool to quantify carbon export, but they require parametrization of the processes acting on export, as well as evaluation of regional conditions. The main objective of this thesis is to develop specific parameterizations that represent coagulation and fragmentation processes in the water column. The first chapter presents a new parameterization of the discrete Smoluchowski's equation for coagulation and fragmentation of marine particles. The robustness of the parameterization to the resolution (i.e. number of size bins) and the non-linearity of the size discretization is studied for idealized initial conditions. The results demonstrate that in a linearly size-discretized configuration, the resolution does not affect the model outputs. However, important biases are observed in a nonlinear discretization. A first attempt to mitigate the effect of nonlinearity on the size spectrum is presented and significantly improves the reduction of observed biases.The second chapter pursues the bias analysis related to the nonlinearity embedded in the coagulation and fragmentation concept. The nonlinearity biases are related to size discretization, but also to the carbon content of particles, the distribution of concentrations, as well as to the reaction rates. The results demonstrate that there exists a discretization which minimises the error compared to the reference. Results further suggest that this optimal discretization may change according to the spectral slope, as the concentration is redistributed along the spectrum. The results demonstrate that there exists a discretization which minimises the error compared to the reference, and suggest that this optimal discretization may change according to the slope of the distribution of concentration, as the concentration is redistributed along the spectrum. Additional sensitivity experiments should be conducted to test the in a wider variety of parameter regimes.The third chapter applies the developed parameterization to a case study of bentho-pelagic coupling in the North Water Polynya. Shifts in the ice dynamics in the polynya in the last decades have diluted primary production at the surface over a wider region than previously observed, when primary production was mostly concentrated south of the ice bridge. In the meantime, the growth of benthic organisms living in the center of the polynya have increased their consumption of pelagic organic material over the same period. Thanks to the developed parameterization, the assumption that benthic organisms have benefited from primary production originating from surrounding regions of the polynya was able to be tested. For this purpose, the export conditions were determined by evaluating both the size and the associated settling velocity of particles. Then the time required to allow a specific distribution of phytoplankton particles to form aggregates of appropriate sizes to be exported was determined. Results indicate that while the particles at the surface are prone to form aggregates by coagulation, current phytoplankton assemblages may be the origin of the fresh matter ound in the floor of the polynya. In conclusion, this thesis presents a new parameterization for the transformation of the particulate matter in the ocean. First developed in a 0D environment with no connection to biological variables, the further integration of this new parametrization into biogeochemical models coupled to ocean general circulation models will improve the characterization and the role of coagulation and fragmentation reactions in the estimation of carbon export. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Biological carbon pump ; Vertical carbon flux ; Bentho-pelagos coupling ; Marine particles ; Coagulation ; Fragmentation ; Model ; North Water Polynia.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Dumont, Dany
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse :	Nadeau, Louis-Philippe et Schloss, Irene R. et Archambault, Philippe
Information complémentaire :	Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en océanographie en vue de l'obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D)
Mots-clés :	Particules marines ; Flux ; Carbone ; Mer ; Océans ; Coagulation ; Fragmentation ; Modèles mathématiques ; Polynies.
Départements et unités départementales :	Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) > Océanographie
Déposé par :	DIUQAR UQAR
Date de dépôt :	27 juin 2022 16:09
Dernière modification :	27 juin 2022 16:24
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/2007

Actions (administrateurs uniquement)

Éditer la notice