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Une collaboration multidisciplinaire entre chercheurs français et espagnols a mis en évidence le rôle des processus de transport à fine échelle sur l'activité biologique océanique grâce à l'application d'outils des systèmes complexes sur des observations pluriannuelles à haute résolution de l'océan côtier. Ces chercheurs infèrent les structures géométriques tridimensionnelles de l'écoulement en utilisant de puissants diagnostics dérivés des vitesses de surface mesurées par des radars haute fréquence (HF). Ceci a notamment permis de suivre et de différencier les structures convergentes et divergentes de la circulation océanique pour dévoiler, avec un niveau de détails inégalé, comment elles contrôlent la distribution spatiale et la variabilité temporelle de la biomasse phytoplanctonique observée par satellite.
Le phytoplancton est un maillon clé des écosystèmes marins: les producteurs primaires utilisent le carbone inorganique dissous, l'énergie lumineuse et les nutriments essentiels pour former en surface de la matière organique qui peut ensuite s'exporter vers l'océan profond. Ces producteurs constituent la base des chaînes trophiques marines et soustraient du dioxyde de carbone de l'atmosphère, ce qui contribue à la régulation du climat de la Terre. Par ailleurs, les processus physiques induits par l'écoulement turbulent océanique jouent un rôle essentiel dans la dynamique du plancton. Alors que les processus à grande échelle sont bien documentés, le rôle des fines échelles est encore largement incompris, principalement du fait du manque d'observations continues à haute résolution.
Des chercheurs du SOCIB, de l'IMEDEA, du MIO et du LEGOS ont analysé les vitesses de radars haute fréquence en utilisant une nouvelle métrique appelée divergence lagrangienne, en association avec d'autres techniques bien établies dérivées des systèmes complexes, afin de dévoiler les structures géométriques de l'écoulement à fine échelle (fronts, tourbillons, filaments, etc.) en Méditerranée occidentale. En comparant avec les concentrations de chlorophylle observées par satellite, cette combinaison de diagnostics permet de distinguer les structures de convergence le long desquelles les particules et les stocks existants de phytoplancton s'agrègent et les zones de divergence marquée où les vitesses verticales vers la surface prédominent et favorisent la nouvelle production grâce à un apport soutenu de sels nutritifs.
Les panneaux de gauche documentent un événement de divergence dans le canal d'Ibiza (Méditerranée occidentale) le 26 janvier 2014: a) Barrières au transport (en noir) dérivées des champs d'exposants de Lyapunov qui délimitent des régions dont les concentrations de chlorophylle (en couleur) sont distinctes, b) Divergence de l'écoulement de surface accumulée le long des trajectoires dérivées des radars HF (divergence lagrangienne). Les structures divergentes identifient les régions où le champ de vitesse de surface diverge sur une période de 4 jours, ce qui implique des vitesses verticales soutenues vers la surface. c) Chlorophylle accumulée (données satellite) le long des trajectoires dérivées des radars HF. Les régions enrichies en chlorophylle (a,c) correspondent bien aux zones de forte divergence (b).
Les panneaux de droite documentent un événement de convergence dans le canal d'Ibiza le 5 mars 2014: d) Structures attractives de l'écoulement (en noir) dérivées des champs d'exposants de Lyapunov qui s'alignent avec les filaments riches en chlorophylle (en couleur), e) Divergence de l'écoulement de surface accumulée le long des trajectoires dérivées des radars HF. Les structures où la divergence est négative identifient les régions où le champ de vitesse de surface converge, suggérant l'accumulation et l'agrégation de matériel. f) Chlorophylle accumulée (données satellite) le long des trajectoires dérivées des radars HF. Le filament enrichi en chlorophylle (b,f) correspond bien aux zones de forte convergence (d).
Cette étude apporte un nouvel éclairage sur les interactions biophysiques dans l'océan se produisant à différentes échelles spatio-temporelles. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour mieux apprécier les effets du transport et de la dispersion due aux courants sur le devenir des substances océaniques. Une application serait, par exemple, de produire des prédictions à court terme des zones d'agrégation des débris plastiques, des méduses, des proliférations de phytoplanctons toxiques et des nappes accidentelles d'hydrocarbures.
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