Comment les structures à fine échelle de la circulation océanique contrôlent la distribution phytoplanctonique
Publié par Adrien le 27/08/2018 à 00:00
Source: CNRS-INSU
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 (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) pluriannuelles à haute résolution de l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en permanence...) côtier. Ces chercheurs infèrent les structures géométriques tridimensionnelles de l'écoulement en utilisant de puissants diagnostics dérivés des vitesses de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) mesurées par des radars haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie...) (HF). Ceci a notamment permis de suivre et de différencier les structures convergentes et divergentes de la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) océanique pour dévoiler, avec un niveau de détails inégalé, comment elles contrôlent la distribution spatiale et la variabilité temporelle de la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces vivantes présentes dans un milieu naturel donné. Dans le domaine de l'énergie, le terme de biomasse regroupe...) phytoplanctonique observée par satellite (Satellite peut faire référence à :).

Le phytoplancton est un maillon (Le maillon en language maritime est une longueur de chaîne (ligne de mouillage), qui mesure 15 brasses soit 27,50 m. L'élément de base de la chaîne est appelé maille. Les maillons sont reliés entre eux par...) clé des écosystèmes marins: les producteurs primaires utilisent le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) inorganique dissous, l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) lumineuse et les nutriments essentiels pour former en surface de la matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par des êtres vivants , végétaux, animaux, ou micro-organismes. Il s'agit par exemple des glucides,...) qui peut ensuite s'exporter vers l'océan profond. Ces producteurs constituent la base des chaînes trophiques marines et soustraient du dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de...) de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), ce qui contribue à la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) du climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée....) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...). Par ailleurs, les processus physiques induits par l'écoulement turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept sous-marins nucléaires d'attaque de la Royal Navy.) océanique jouent un rôle essentiel dans la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) du plancton (Homère désignait les animaux errant à la surface des flots par plankton, du grec ancien πλαγκτός / planktós ou...). Alors que les processus à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable...) 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 (Une combinaison peut être :) de diagnostics permet de distinguer les structures de convergence (Le terme de convergence est utilisé dans de nombreux domaines :) 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 (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des...) (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 (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de vitesse (On distingue :) de surface diverge sur une période de 4 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par...), 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 (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant...) 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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