Transport lagrangien de microplastiques dans des écoulements turbulents non homogènes à la surface de l'océan.

Lagrangian transport of microplastics in nonhomogeneous upper-ocean turbulent flows.

• Auteur / Autrice : Luz Silva torres
• Direction : Stefano Berti
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UML - Unité de Mécanique de Lille

Mots clés

Mots clés libres

Dynamique des fluides

Turbulence

Dynamique de particules lagrangiennes

Microplastiques

Océanographie physique

Fluid dynamics

Turbulence

Lagrangian particle dynamics

Microplastics

Physical oceanography

Résumé

Contexte : La plupart des plastiques présents dans l'océan se décomposent en très petites particules. Ces minuscules morceaux de plastique, dont la forme et le poids peuvent être très différents, sont collectivement appelés microplastiques. Les microplastiques sont aujourd'hui largement répandus dans les océans du monde entier, représentant une source majeure de pollution marine et une menace considérable pour toutes les communautés écologiques de la mer. Contrairement aux débris plus volumineux, qui sont facilement visibles, les microplastiques sont plus difficiles à détecter. Les écoulements océaniques les déplacent de manière complexe, ce qui rend leur suivi difficile. En effet, près de la surface de la mer, les courants océaniques sont caractérisés par une dynamique turbulente et présentent généralement des circulations non homogènes à la fois sur le plan horizontal et sur le plan vertical. De plus, les mécanismes par lesquels les microplastiques s'enfoncent dans les eaux plus profondes et plus calmes sont encore mal connus. Par conséquent, il est actuellement difficile de prédire où ces petites particules s'accumulent et de fournir une description quantitative de leurs profils de concentration en profondeur. L'élaboration de stratégies d'élimination des plastiques et la conception de zones marines protégées nécessitent impérativement une connaissance détaillée des propriétés de transport et de dispersion de ces particules dans la mer. L'approche lagrangienne pour caractériser leur évolution dans les écoulements turbulents permet une description fine des caractéristiques spatiales et temporelles de la distribution des particules à différentes échelles. Par conséquent, elle fournit un cadre idéal pour tester différents modèles dynamiques et développer des méthodologies pour caractériser les processus de dispersion et d'agrégation des débris microplastiques. Plan de travail et objectifs : Dans cette thèse, nous explorerons la dynamique des écoulements turbulents non homogènes chargés en particules, pertinents pour les couches océaniques de surface, au moyen de simulations numériques. Nous nous concentrerons sur les particules qui coulent avec différentes propriétés matérielles, pour caractériser leurs profils verticaux moyens et la formation d'amas persistants. Nous nous intéresserons aussi à la détermination des temps de résidence des microplastiques dans des régions particulières des écoulements, comme par exemple la couche de mélangée juste en dessous de la surface. Le travail de recherche s'appuiera sur des simulations d'écoulements turbulents avec différents degrés de complexité en termes de non-homogénéité de leur structure horizontale et verticale, afin d'améliorer le réalisme océanographique de la modélisation. Il sera basé sur des techniques numériques correspondant à l'état de l'art en mécanique des fluides computationnelle pour la simulation d'écoulements chargés en particules, et sur des analyses de données massives. L'objectif principal est d'identifier les mécanismes de base contrôlant le transport de microplastiques dans la mer, afin de déterminer les hotspots d'accumulation et les taux de sédimentation vers l'océan profond, ce qui devrait fournir des informations pertinentes pour le développement de paramétrisations dans les simulations réalistes de l'océan, et de stratégies visant à protéger l'environnement marin.

Context: Most plastics in the ocean break up into very small particles. These tiny plastic bits, which can be quite different in shape and weight, are collectively called microplastics. Microplastics are now widespread in the world oceans, representing a major source of marine pollution and a considerable threat to all ecological communities in the sea. Unlike larger debris, which can be easily seen, however, they are harder to detect. Oceanic flows move them around in a complex manner, making it difficult to track them. Indeed, close to the sea surface, ocean currents are characterized by turbulent dynamics, and typically present nonhomogeneous circulation patterns both on the horizontal and on the vertical. Moreover, the mechanisms through which microplastics sink into deeper, more quiescent waters are still only poorly known. Therefore, it is presently challenging to predict where these small particles accumulate, and to provide a quantitative description of their depth concentration profiles. The development of plastics removal strategies, and the design of marine protected areas, crucially require a detailed knowledge of the transport and dispersion properties of these material particles in the sea. The Lagrangian approach to their evolution in turbulent flows allows a fine descriptionboth spatial and temporal features of the particle distribution at different scales. Therefore, it provides an ideal framework to test different model dynamics and to develop methodologies to characterize the spreading and aggregation processes of microplastics debris. Work plan and goal: In this thesis we will explore the dynamics of particle-laden nonhomogeneous turbulent flows relevant for the upper ocean by means of numerical simulations. We will focus on sinking particles with different material properties, to characterize their mean vertical profiles and the formation of long-lived clusters. We will further address the determination of microplastics residence times in special flow regions, as for instance the well-mixed layer just below the surface. The research work will rely on simulations of turbulent flows with different degrees of complexity in terms of the nonhomogeneity of their horizontal and vertical structure, aiming to improve the oceanographic realism of the modeling framework. It will be based on state-of-the-art computational fluid dynamics techniques for particle-laden flows, and intensive data analysis. The goal is to identify the basic key mechanisms controlling microplastics transport in the sea, in order to determine accumulation hotspots and rates of sedimentation into the deep ocean, which may be informative for the development of parametrizations in realistic ocean simulations, and of strategies to protect the marine environment.