Dynamique du phytoplancton dans le système de la Baie d'Hudson : une perspective par capteur satellitaire de la couleur de l'océan / Phytoplankton dynamics in the Hudson Bay System : an ocean color satellite perspective

Barbedo de Freitas, Lucas (2023). Dynamique du phytoplancton dans le système de la Baie d'Hudson : une perspective par capteur satellitaire de la couleur de l'océan / Phytoplankton dynamics in the Hudson Bay System : an ocean color satellite perspective. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Institut des sciences de la mer (ISMER), 255 p.

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Résumé

« Dans l'océan Arctique et les mers sub-Arctiques, le réchauffement et les pertes de glace de mer constituent des changements climatiques marquants de cette nouvelle Ère que l'on nomme désormais l'Anthropocène. Ces changements spectaculaires imposent un ajustement de la dynamique du phytoplancton, ce qui affecte l'ensemble du réseau trophique marin, la fonctionnalité des écosystèmes et la pompe à carbone. Dans le système de la baie d'Hudson, la plus grande mer intérieure du monde, la perte de glace de mer est deux fois plus importante que celle observée dans l'océan Arctique, et les taux de réchauffement atmosphérique sont plus rapides que ceux enregistrés à la fin de la dernière période glaciaire, il y a environ 12 000 à 11 000 ans. La radiométrie satellitaire de la couleur de l'océan (OCR) est l'outil le plus approprié pour l'observation systématique du phytoplancton, en particulier dans les environnements difficiles d'accès et les mers infestées de glace. Cependant, les communautés d'algues adaptées à une faible luminosité solaire, la persistance d'un maximum de chlorophylle en profondeur et la production sous la glace remettent en question les algorithmes de couleur de l'océan. Le drainage continental des constituants terrigènes optiquement actifs et les doubles efflorescences (c'est-à-dire les efflorescences dans la zone marginale de glace de mer et d'automne) renforcent la complexité bio-optique. Les interactions entre le climat, les processus océanographiques, les propriétés bio-optiques et la dynamique du phytoplancton restent un sujet ouvert. Dans le chapitre 1, deux décennies d'observations par satellite ont révélé comment les téléconnexions planétaires influent sur l'équilibre entre les efflorescences sous la glace, les algues de la banquise et les efflorescences dans les zones de glace marginale. Dans le chapitre 2, en utilisant en parallèle les données issues de modèles couplés océan-atmosphère-glace de mer, de réanalyses climatiques, d'observations de la Terre par satellite (OCR), nous avons étudié le contrôle des processus atmosphériques et océaniques sur les efflorescences automnales. Dans le chapitre 3, nous avons présenté une analyse de sensibilité de la production primaire nette de phytoplancton (NPP) dérivée du satellite aux paramétrisations et aux processus océanographiques dans l'est de l'Arctique canadien. Les principales contributions de cette thèse à la dynamique du phytoplancton des mers polaires du Nord sont les suivantes : i.) l'efflorescence de phytoplancton dans la zone marginale de glace, c'est-à-dire le pic de [Chla] trouvé immédiatement après le retrait de la glace de mer, présente une variabilité spatiale et interannuelle substantielle. Cependant, en règle générale, un retrait précoce de la glace de mer entraîne une intensification de l'efflorescence de la lisière de la glace, car le phytoplancton sous la banquise a moins de temps pour épuiser l'inventaire des nutriments de la couche supérieure de la colonne d'eau ; ii.) dans la polynie de Kivalik, dans le nord-ouest de la baie d'Hudson, une zone de forte production primaire et d'agrégation de la faune marine, la corrélation entre les indices climatiques de l'oscillation nord-atlantique, de l'oscillation arctique (NAO/AO) et de la concentration de chlorophylle-a indique que l'efflorescence répond à la circulation atmosphérique à grande échelle dans l'hémisphère nord. Comme le vortex polaire est fort pendant les phases positives de NAO/AO, la force des vents d'ouest favorise la dynamique de la polynie, la production/exportation de glace de mer, le rejet de saumure et la reconstitution des nutriments. Par conséquent, le climat hivernal préconditionne la couche supérieure de la colonne d'eau pour le développement ultérieur des efflorescences à la lisière des glaces. Dans le contexte d'un déclin de la NAO/AO, la polynie de Kivaliki devrait subir une diminution de sa productivité avec des conséquences sur l'ensemble de la HBS ; iii.) le mélange convectif, forcé principalement par le refroidissement atmosphérique et dans une moindre esure par la turbulence dueau vent, étend la couche mélangée, ventile la pycnocline et érode probablement la nitracline, ce qui déclenche les efflorescences de phytoplancton tôt à l'automne. La variabilité saisonnière de l'état de photo-acclimatation estimé par satellite OCR et du carbone phytoplanctonique (c'est-à-dire le rapport carbone-chlorophylle) suggère que ces efflorescences automnales sont productives en terme de fixation du carbone organique; et iv.) Le réglage régional des modèles de production primaire et la modélisation des adaptations photo-physiologiques du phytoplancton sont essentiels pour améliorer l'évaluation satellitaire de la NPP. La production d'algues peut renforcer la pompe à carbone et atténuer le réchauffement de l'Arctique en éliminant les gaz à effet de serre (dioxyde de carbone). Toutefois, la capacité biochimique des mers arctiques et subarctiques à assimiler la forte teneur en matières organiques déversées par les rivières et produites in situ par les efflorescences de phytoplancton dans ce scénario arctique en évolution rapide reste un sujet ouvert. »--
« In the Arctic Ocean and adjacent north-polar seas, warming and sea-ice losses are the most prominent footprint of climatic changes in the Anthropocene. These dramatic changes force an adjustment of phytoplankton dynamics, affecting the whole marine trophic web, ecosystem functionality, and the Carbon pump. In the Hudson Bay System (HBS), the world's largest inland sea, the sea-ice loss is twice that observed in the Arctic Ocean, and atmospheric warming rates are faster than recorded at the end of the last glacial period about 12,000-11,000 years ago. Satellite ocean color radiometry (OCR) is the most suitable tool for systematic phytoplankton observation, even in harsh environments and ice-infested seas. However, algae communities adapted to low sun declination, the persistence of subsurface chlorophyll maximum, and production under-ice challenge ocean color algorithms. Continental drainage of terrigenous optically-active constituents and double-blooms (i.e., marginal-ice and fall blooms) enhance the bio-optical complexity. The interplays between climate, oceanographic processes, marine bio-optics, and phytoplankton dynamics remain an open topic. In chapter 1, two decades of satellite observations unveiled how planetary teleconnections impact the balance between under-ice blooms, sea-ice algae, and ice-edge blooms throughout the marginal-ice zones. In Chapter 2, using a broad synergy between oceanic sea ice models, climate reanalysis, remote sensing, in situ bio optics, and radiometry, we investigated the control of atmospheric and oceanic processes on fall blooms. In Chapter 3, we presented a sensitivity analysis of satellite-derived net phytoplankton primary production (NPP) to parametrizations and oceanographic processes in the eastern Canadian Arctic. The main contributions of this thesis to the phytoplankton dynamics of north polar seas are: i.) the ice-edge bloom, i.e., the peak in chlorophyll-a concentration, [chla], immediately found after the sea-ice retreat, has substantial spatial and inter-annual variability. However, as a general rule, early sea-ice-retreat resulted in ice-edge bloom intensification because under-ice blooms have less time to deplete the upper layer nutrient inventory; ii.) in the Kivalik polynya in the northwest Hudson Bay, a marine wildlife hot-spot, the correlation between the climate indices of the North Atlantic Oscillation, Arctic Oscillation (NAO/AO), and [chla] indicated that the bloom responds to large-scale atmospheric circulation patterns in the North Hemisphere. As strong the polar vortex is during positive NAO/AO phases, the strength of westerly winds favors the polynya dynamics, sea-ice production/export, brine rejection, and nutrient replenishment. As a result, the winter climate preconditioned the upper layer of the HBS for the subsequent development of ice-edge blooms. In the context of a decline in the NAO/AO, the Kivaliki polynya should drive a decrease in productivity in the whole HBS; iii.) the convective mixing, forced mainly by atmospheric cooling and to a lesser extent by wind-driven turbulence, expands the mixed layer, ventilates the pycnocline, and likely erodes the nitracline, which trigger pelagic fall blooms. Seasonal variability of satellite-derived photo-acclimation state and phytoplankton carbon (i.e., carbon-to-chlorophyll ratio) unveil the potential productivity of organic carbon fixation in fall blooms; and iv.) regional tuning and resolving photo-physiology are essential to improve NPP satellite assessment. Algae production can enhance the carbon pump and mitigate Arctic warming by removing greenhouse gases (carbon dioxide). However, the biochemical capability of the Arctic and sub-Arctic seas to assimilate high content of organic matter discharged by rivers and produced in situ by phytoplankton blooms in this rapidly changing Arctic scenario remains an open topic.-- Mot(s) clé(s) en anglais : Marginal ice zone, ocean color radiometry, optically complex waters, inherent optical properties, phytoplankton photo-physiology, atmosphere-ocean process s, and climatic indexes. »--

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Bélanger, Simon
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse :	Tremblay, Jean-Éric
Information complémentaire :	Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en océanographie en vue de l'obtention du grade de Philosophiae Doctor.
Mots-clés :	Océanographie optique ; Propriétés optiques ; Eau de mer ; Mer ; Couleur ; Baie-d'Hudson (Québec) ; Radiométrie optique ; Phytoplancton marin ; Télédétection ; Glace de mer.
Départements et unités départementales :	Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) > Océanographie
Déposé par :	DIUQAR UQAR
Date de dépôt :	24 janv. 2024 15:33
Dernière modification :	24 janv. 2024 15:33
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/2802

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