Analyse globale de la pompe à carbone biologique à partir de données en imagerie quantitative

Image-based global analysis of the biological carbon pump

• Auteur / Autrice : Laetitia Drago
• Direction : Lars Stemmann, Rainer Kiko
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie de Villefranche (Alpes-Maritimes ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Louis Legendre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sakina-Dorothée Ayata, Colleen Durkin, Brivaëla Moriceau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stephanie Henson, Barbara Niehoff

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage automatique

Zooplancton marin

Atlantique (océan ; nord)

Cycle du carbone

Mots clés libres

Pompe à carbone

Imagerie

Zooplancton

Particules

Carbon pump

Imaging

Zooplankton

Particles

Résumé

La pompe à carbone biologique (PCB) joue un rôle central dans le cycle global du carbone océanique, en transportant le carbone de la surface vers les profondeurs et en le séquestrant pendant de longues périodes. Ce travail vise à analyser deux acteurs clés de la PCB : le zooplancton et les particules. Pour cela, nous utilisons les données d'imagerie in situ de l'Underwater Vision Profiler (UVP5) pour étudier deux axes principaux : 1) la distribution globale de la biomasse du zooplancton et 2) l'exportation de carbone dans le contexte d'une efflorescence printanière dans l'Atlantique Nord. À l'aide de l'UVP5 et de l'apprentissage automatique par le biais de modèles d'habitat utilisant des arbres de régression boostés, nous étudions la distribution mondiale de la biomasse du zooplancton et ses implications écologiques. Les résultats montrent des valeurs maximales de biomasse autour de 60°N et 55°S et des valeurs minimales au niveau des gyres océaniques, avec une biomasse globale dominée par les crustacés et les rhizaires. En utilisant des techniques d'apprentissage automatique sur des données globalement homogènes, cette étude fournit des informations sur la distribution de 19 grands groupes de zooplancton (1-50 mm de diamètre sphérique équivalent). Ce premier protocole permet d'estimer la biomasse du zooplancton et la composition de la communauté à l'échelle globale à partir d'observations d'imagerie in situ d'organismes individuels. Dans le contexte unique de la campagne EXPORTS 2021, nous analysons les données UVP5 obtenues par le déploiement de trois instruments dans un tourbillon à forte rétention. Après avoir regroupé les 1 720 914 images à l'aide de Morphocluster, un logiciel de classification semi-autonome, nous nous intéressons aux caractéristiques des particules marines, en étudiant leur morphologie à travers un cadre oblique qui suit un panache de particules entre la surface et 800 m. Les résultats montrent que, contrairement aux attentes, les agrégats deviennent de manière inattendue plus grands, plus denses, plus circulaires et plus complexes avec la profondeur. En revanche, l'évolution des pelottes fécales est plus hétérogène et façonnée par l'activité du zooplancton. Ces résultats remettent en question les attentes antérieures et appellent à une réévaluation de notre vision des agrégats et des pelottes fécales. Nous avons également étudié la dynamique des concentrations et des flux de carbone à l'aide d'un cadre 1D plus traditionnel dans lequel nous explorons les trois éléments clés de l'estimation des flux à partir d'imagerie in situ en comparant les estimations de l'UVP5 et des pièges à sédiments: la gamme de tailles couvertes, la vitesse de sédimentation et le contenu en carbone. Selon la littérature, les pièges à sédiments à flottabilité neutre (NBST) et les pièges attachés à la surface (STT) couvrent généralement une gamme de tailles allant de 10 µm à environ 2 mm. Dans notre étude, nous avons constaté qu'en élargissant la gamme de tailles de l'UVP5 à 10 µm et en la limitant à 2 mm, une comparaison plus consistante peut être faite entre le flux issu de l'UVP5 et celui des pièges à sédiments (obtenus par des collègues). Toutefois, il reste une contribution importante du flux au-dessus de ce seuil de taille qui nécessite une étude plus approfondie de ses implications par l'utilisation d'approches complémentaires telles que des pièges à sédiments avec des ouvertures plus grandes. Ce manuscrit ne fait pas seulement progresser nos connaissances, mais il aborde également des défis critiques dans l'estimation de la biomasse du zooplancton et de la dynamique des particules pendant les événements d'export. Les résultats de cette étude ouvrent de nouvelles voies pour la recherche future sur la PCB et approfondissent notre compréhension des écosystèmes marins.

The biological carbon pump (BCP) plays a central role in the global ocean carbon cycle, transporting carbon from the surface to the deep ocean and sequestering it for long periods. This work aims to analyse two key players of the BCP: zooplankton and particles. To this end, we use in situ imaging data from the Underwater Vision Profiler (UVP5) to investigate two primary axes: 1) the global distribution of zooplankton biomass and 2) carbon export in the context of a North Atlantic spring bloom. Our objectives includes a quantification of global zooplankton biomass, enhancing our comprehension of the BCP via morphological analysis of particles, and assessing and comparing the gravitational flux of detrital particles during a the North Atlantic spring bloom using high-resolution UVP5 data. With the help of UVP5 imagery and machine learning through habitat models using boosted regression trees, we investigate the global distribution of zooplankton biomass and its ecological implications. The results show maximum zooplankton biomass values around 60°N and 55°S and minimum values within the oceanic gyres, with a global biomass dominated by crustaceans and rhizarians. By employing machine learning techniques on globally homogeneous data, this study provides taxonomical insights into the distribution of 19 large zooplankton groups (1-50 mm equivalent spherical diameter). This first protocol estimates global, spatially resolved zooplankton biomass and community composition from in situ imaging observations of individual organisms. In addition, within the unique context of the EXPORTS 2021 campaign, we analyse UVP5 data obtained by deploying three instruments in a highly retentive eddy. After clustering the 1,720,914 images using Morphocluster, a semi-autonomous classification software, we delve into the characteristics of the marine particles, studying their morphology through an oblique framework that follows a plume of detrital particles between the surface and 800 m depth. The results of the plume following approach show that, contrary to expectations, aggregates become unexpectedly larger, denser, more circular and more complex with depth. In contrast, the evolution of fecal pellets is more heterogeneous and shaped by zooplankton activity. Such results challenge previous expectations and may require a reassessment of our view of sinking aggregates and fecal pellets. We also studied concentration and carbon flux dynamics using a more traditional 1D framework where we explore the three key elements in flux estimation from in situ imaging data by comparing UVP5 and sediment trap flux estimates: size range covered, sinking rate and carbon content. According to the current literature, neutrally buoyant sediment traps (NBST) and surface-tethered traps (STT) usually cover a size range from 10 µm to approximately 2 mm. In our study, we have found that by expanding the UVP size range to 10 µm and limiting it to 2 mm, a more consistent comparison can be made between UVP5-generated flux and sediment trap fluxes (obtained by colleagues). However, it is worth noting that there remains a large flux contribution above this size threshold, necessitating further investigation of its implications through the use of complementary approaches such as the use of sediment traps with larger openings. This manuscript not only advances our knowledge, but also addresses critical challenges in estimating zooplankton biomass and particle dynamics during export events. The findings of this study open up new avenues for future research on the biological carbon pump and deepen our understanding of marine ecosystems.