Etude de la distribution verticale de particules plastiques dans l'océan : caractérisation, modélisation et comparaison avec des observations

par Marie Poulain

Thèse de doctorat en Océan, atmosphère, climat

Sous la direction de Matthieu Mercier et de Alexandra Ter Halle.


  • Résumé

    Annuellement, 200 000 tonnes de plastique entrent dans les océans. Dans l’état actuel des connaissances, seul 1 % de cette quantité est retrouvé. Où est le reste ? Pour des raisons logistiques, les scientifiques ont surtout étudié la pollution de plastique à la surface de la mer. Or un mélange de surface, induit par le vent et les vagues, transporte cette pollution en profondeur. Cette thèse est dédiée à l’étude du transport vertical en haute mer des micro-plastiques (1 µm < L < 5mm), plus sensibles à ce transport vertical du fait de leur faible flottabilité. Cette dynamique est décrite par l’équilibre entre le flux de flottabilité, qui tend à les faire remonter, et le flux turbulent, qui les entraine vers le bas. Nous étudions cette distribution verticale à l’aide d’échantillons collectés en mer et d’expériences de laboratoire dans lesquelles les micro-plastiques sont modélisés par des particules aux géométries régulières (sphères et disques). La turbulence de surface à laquelle ils sont soumis est générée par un dispositif de grille oscillante pour répliquer la décroissance de la turbulence avec la profondeur. Premièrement, un modèle pour la vitesse de remontée (flottabilité) des micro-plastiques, tenant compte de leurs propriétés (densité, taille et forme), est proposé. Devant la grande variété de ces propriétés, un encadrement de la flottabilité est proposé pour chaque gamme de taille de micro-plastique. Il est construit grâce à un choix de géométries régulières et de densité, deux aspects déduits d’une étude statistique des propriétés de 400 échantillons collectés dans le gyre de l’Atlantique Nord en 2015. Deuxièmement, la caractérisation de l’écoulement utilisé en laboratoire est faite grâce à des mesures de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV). La turbulence de grille oscillante est étudiée en fluide homogène et en fluide bi-couche. Un modèle paramétrique de viscosité turbulente, tenant compte de la décroissance de la turbulence avec la profondeur, est proposé. Cette approche, permettant une description générique de l’écoulement, est originale, la turbulence de grille oscillante étant essentiellement décrite en termes d’énergie cinétique turbulente et taux de dissipation. Troisièmement, la distribution verticale de particules flottantes est étudiée dans le même dispositif expérimental. Elle est obtenue grâce à des mesures en deux dimensions non résolues en temps (dans un plan laser) et en volume résolue en temps (vélocimétrie par suivi de particules et mesures stéréoscopiques). En les couplant à la caractérisation de l’écoulement, nous avons pu décrire le transport vertical des plastiques par un modèle de turbulence de type « k-epsilon », en fournissant une première valeur du nombre de Schmidt turbulent pour des particules faiblement inertielles et de taille finie ; le nombre de Schmidt turbulent étant le paramètre essentiel du couplage fluide-particules pour ce genre d’approches. Grâce à ce travail, nous proposons un certain nombre de recommandations pour la communauté scientifique, notamment, de réaliser un échantillonnage dans la colonne d’eau et non pas qu’en surface. Cela permettra de collecter un nombre représentatif des petits micro-plastiques (<1 mm) et de mieux décrire la pollution en mer lorsque celle-ci est agitée (Beaufort 3 et plus). Nous préconisons aussi de prendre en compte la diversité de taille et de forme des micro-plastiques dans les modèles de correction des mesures de surface, comme nous le proposons au Chapitre 3. Enfin, en parallèle de la prise en compte de leurs propriétés, nous insistons sur l’importance de prendre en compte la décroissance de la turbulence. En effet, l’allure du profil de concentration des micro-plastiques en dépend et peut, dans certain cas, s’éloigner du modèle couramment prescrit (exponentielle décroissante). Le calcul explicite du profil de concentration en utilisant le nombre de Schmidt turbulent, identifié dans cette thèse, est alors nécessaire.

  • Titre traduit

    Study of plastic particles distribution in the ocean : characterization, modelling and comparison with observations


  • Résumé

    The annual plastic input in the ocean is estimated to be 200 000 tons. To the best of current knowledge, only 1 % of this quantity is retrieved. Where is the rest? For logistical reasons, scientists have essentially investigated the plastic pollution at the sea surface. However, some mixing at the surface is induced by wind and waves, which moves this pollution in depth. In this work, we focus on the vertical transport of micro-plastics offshore, which are more sensitive to this vertical transport due to their low buoyancy. Their dynamics is described by a balance between an upward flux due to plastic buoyancy and a downward flux due to turbulence. We study their vertical distribution thanks to samples collected at sea and laboratory experiments, in which, micro-plastics are modeled by particles with regular shapes (spheres and disks). The surface turbulence, which mixes them in the water column, is generated by an oscillating grid system to mimic the turbulence decay with depth. First, we propose a model for the rise velocity (buoyancy) of the micro-plastics, taking into account their properties (density, size and shape). Given the wide range of plastic properties, we propose to encompass their rise velocity by an upper and a lower bound for each range of size. These bounds comes from a choice of two densities and regular shapes, based on a statistical analysis of the properties of 400 samples collected in the Atlantic North Gyre in 2015. Second, the characterization of the flow used in laboratory experiments is done using Particle Image Velocimetry (PIV) technique. The oscillating grid turbulence is studied in both homogeneous and two-layer fluids. A parametric law for the eddy viscosity, taking into account the turbulence decay with depth, is proposed. This approach, giving a general description of the flow, is new. Indeed, oscillating grid turbulence is usually described in terms of turbulent kinetic energy and dissipation rate. Third, the vertical distribution of buoyant particles is investigated in oscillating grid turbulence experiments. It is obtained thanks to measurements in two dimensions unresolved in time (in a laser sheet) and measurements in volume resolved in time (Particle Tacking Velocimetry and stereoscopy). Coupling them with the characterization of the flow, we describe the vertical transport of plastic using the “k-epsilon” turbulent model. We provide the first estimation of the turbulent Schmidt number for finite size particles with low inertia; the turbulent Schmidt number being the key parameter for the fluid-particles coupling in such approaches. Thanks to this work, we supply some recommendations for the scientific community. Especially, we advocate for samplings in depth and not only at the surface. This should ensure more representative figures for small micro-plastics (<1 mm) collected and a better description of the plastic pollution when the sea is rough (Beaufort 3 and more). We also recommend to take into account the large range of micro-plastic’s size and shape in correction models for surface measurements, like we propose in Chapter 3. Finally, added to the variability of plastic properties, we highly recommend to take into account the turbulence decay with depth. Indeed, the shape of the concentration profile with depth of micro-plastics depends on it. In some cases, this can lead to different types of profiles compared to the commonly used exponential decay. The explicit calculation of the concentration profile, using the value for the turbulent Schmidt number identifiedin this work, is then necessary.


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