Impacts of mesoscale and submesoscale dynamics on the fate of exported particles to the deep ocean

Impact de la dynamique à petite et moyenne échelles sur le devenir des particules exportées dans l'océan profond

• Auteur / Autrice : Lu Wang
• Direction : Laurent Mémery, Jonathan Gula
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanographie physique et environnement
• Date : Soutenance le 22/05/2024
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer et du littoral (Plouzané)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l’environnement marin (Plouzané, Finistère) - Laboratoire d'Océanographie Physique et Spatiale (Plouzané, Finistère)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Carton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Mémery, Jonathan Gula, Xavier Carton, Guillaume Lapeyre, Adrian Martin, Amala Mahadevan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guillaume Lapeyre, Adrian Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique hydro-sédimentaire

Sédiments (géologie) -- Transport

Mots clés libres

Particules qui sédimentent

Impacts de la dynamique à mésoéchelle et à sous-mésoéchelle

Pièges à particules profonds

Sinking particles

Mesocale and submesoscale dynamics

Deep-moored sediment traps

Résumé

Les observations à long terme du flux de particules qui sédimentent sont principalement effectuées par des pièges à particules profonds. Dans cette thèse, les impacts de la dynamique à mésoéchelle et à sous-mésoéchelle sur l’export de particules qui s’enfoncent rapidement, sont étudiés par le biais d’expériences de suivi lagrangien de particules, backward et forward, en utilisant les résultats d’une simulation à 2 km de résolution de l’océan Atlantique Nord sur une période de 7 ans. Les rétro-trajectoires montrent que les tourbillons de mésoéchelle peuvent transporter des particules sur des centaines de kilomètres jusqu’aux pièges à particules du site de l’observatoire à long terme PAP (16.5°W, 49.0°N). La variabilité mensuelle des sources de particules montre qu’un tourbillon localement dominant sur le site PAP peut piéger efficacement les particules dans un domaine restreint. En partant d’un ensemencement homogène de particules à 200m, les simulations forward révèlent que la saisonnalité et la variabilité spatiale des collectes de particules à 1000m peuvent résulter uniquement de la dynamique océanique. L’analyse de clustering de particules recueillies dans une zone cible de 200 x 200 km suggère que les variations saisonnières du nombre de particules dans les classes majoritaires en hiver et au printemps, sont liées aux activités tourbillonnaires à mésoéchelle et au développement des fronts. En automne et au début de l’hiver, les classes les plus importantes de particules sont avant tout associées à une dynamique locale « de fond » (définie par de faibles activités tourbillonnaires et frontales).

Long-term observations of the downward particle flux are mainly made by deep-moored sediment traps. In this thesis, impacts of mesoscale and submesoscale dynamics on the export of fast-sinking particles are investigated through backward and forward Lagrangian particle tracking experiments, using outputs from a 2-km resolution simulation of the North Atlantic Ocean over 7 years. The backward simulations show that mesoscale eddies can transport particles from hundreds of kilometers to sediment traps at the long-term observatory PAP site (16.5°W, 49.0°N). The variability of monthly particle sources shows a locally dominant eddy at the PAP site can significantly trap particles within a small region. Starting with a homogeneous seeding of particles at 200m, the forward simulations reveal that the seasonality and spatial variability of particle collections at 1000 m can result from the physical dynamics only. Clustering analysis of particles collected within a 200 x 200 km target zone suggests the seasonal variations of particle amounts In clusters active in winter-spring time are related to the mesoscale eddy activities and the development of fronts. In autumn and early winter, the local background flow (defined by low eddy and frontal activities) contributes most to the particle collection. The results demonstrates how mesoscale dynamics impact the heterogeneity of particle distribution, and thus collection in the deep ocean.