Dynamique du plancton dans un Océan Arctique en transition

Phytoplankton dynamics in a changing Arctic Ocean

• Auteur / Autrice : Léna Champiot-bayard
• Direction : Martin Vancoppenolle
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Mer
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• 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 et du climat : expérimentations et approches numériques (Paris ; 2005-....)

Mots clés

Mots clés libres

Phytoplancton

Ocean Arctique

Modélisation

Phytoplankton

Arctic Ocean

Modelisation

Résumé

Contexte : L'Arctique perd de la glace, se réchauffe et sa chimie change en raison du réchauffement climatique, ce qui a des répercussions importantes sur le phytoplancton (Arrigo & Dijken, 2011 ; Kahru et al., 2011 ; Lewis et al., 2020). En effet, les changements de couleur de l'océan observés par satellite au cours des 25 dernières années sont documentés, y compris la modification de la phénologie et l'apparition d'efflorescences automnales. L'impact de ces changements sur la productivité primaire est toutefois incertain en raison de la contribution mal quantifiée des efflorescences sous la glace. Tout cela peut avoir des effets en cascade sur le réseau trophique, les écosystèmes et les pêcheries de l'Arctique marin. Il est plus difficile qu'ailleurs de prévoir ces changements à l'avenir. Les modèles CMIP5 et 6 divergent quant au signe de la PPN. La limitation de la lumière et des nutriments s'oppose (Vancoppenolle et al., 2013). Différentes régions peuvent présenter des réponses opposées (Ref). Contexte général de (i) faible compréhension de la dynamique du plancton dans les mers couvertes de glace, et (ii) mécanismes de changement peu contraints et nombreux. Problème n° 1 : la phénologie du plancton arctique est très spécifique (Ardyna & Arrigo, 2020). La nuit polaire est unique et met en péril la survie du phytoplancton, sans que l'on sache comment cela est possible. La glace et la neige réduisent l'apport de lumière à l'océan de surface. Les bassins de fonte estivaux l'augmentent (Lebrun et al., 2023). La fonte des glaces libère de l'eau douce, ce qui atténue la limitation de la lumière mais renforce la limitation des nutriments, du moins dans un premier temps. L'eau libre est alors exposée à l'atmosphère et aux vents en particulier, ce qui peut favoriser l'approvisionnement par le bas. Les algues de glace se développent au printemps, en quantités vraisemblablement faibles mais assez incertaines, dans plusieurs microhabitats, dont un ou deux seulement ont été raisonnablement bien caractérisés par l'observation. Les algues de glace sont associées à de grandes quantités de matières organiques. Lors de leur fonte et de leur libération dans la colonne d'eau, les algues de glace pourraient favoriser la prolifération du phytoplancton ou augmenter l'exportation de carbone. Les forçages régionaux associés aux rivières, aux sédiments, à l'atmosphère ou aux glaciers peuvent ajouter un niveau de complexité supplémentaire. Problème n° 2. Les mécanismes de changement sont nombreux et mal définis. Facteurs physiques. Moins de glace pérenne, plus de glace saisonnière, moins de neige, peut-être plus d'étangs ; tous ces facteurs impliquent une augmentation de l'apport de lumière. Modification de la stratification et de la circulation océaniques. Augmentation de la température. Facteurs biologiques. Rôle des algues de glace en tant qu'initiateurs des efflorescences. Changements dans la composition des espèces. Forçages externes. Apports atmosphériques, glaciaires, fluviaux et sédimentaires. Le T-S, le BGC et les changements dans les flux air-mer ont finalement un impact sur la chimie marine, en particulier sur le pH. Dans ce contexte de méconnaissance, il est compréhensible que les modèles, mais aussi les spécialistes, considèrent que l'augmentation ou la diminution de la PPN sont des hypothèses tout aussi plausibles les unes que les autres. Il y a généralement deux voies de recherche pour progresser. 1) Obtenir davantage d'observations. Compliqué, lent et coûteux. Ne renseigne pas sur l'avenir. 2) L'exécution et l'analyse de modèles peuvent également s'avérer utiles, mais cela n'a pas été beaucoup fait. Questions Par conséquent, dans cette thèse, nous proposons de faire progresser notre compréhension de la phénologie du phytoplancton arctique et de ses changements futurs, principalement sur la base d'outils de modélisation et d'observations disponibles. Nous travaillerons autour des questions suivantes : - Quels sont les mécanismes les plus importants dans la dynamique des efflorescences ? Sont-ils bien représentés dans les modèles ? - Que pouvons-nous dire des changements récents et futurs du phytoplancton arctique et de leurs moteurs ? - Quels sont les scénarios d'évolution future ? Tous les scénarios sont-ils également plausibles ? - Peut-on envisager des contrastes régionaux entre les différentes régions de l'Arctique ? Méthodes : - Analyser les simulations existantes : CMIP, SOBUMS, OMIP - Effectuer des simulations soigneusement élaborées. Cela pourrait inclure des expériences de sensibilité, pour lesquelles nous contraindrions davantage le rôle de processus spécifiques (lumière, neige, étangs, ...). Cela pourrait également inclure la reconstruction du passé récent. - Utiliser des bases de données d'observation comme référence (produits satellitaires de couleur de l'océan et de glace de mer, produits hydrographiques de l'Atlas mondial des océans et du GLODAP, ...). Environnement et activités supplémentaires : LOCEAN est bien adapté et utilisé pour mener des études de modélisation. La thèse fait partie d'un effort national dans le cadre du projet ClimArctic, axé sur le changement climatique futur de l'Arctique et les impacts sur son écosystème. Il n'y a pas d'activités spécifiques associées à cette thèse. Cependant, nous encouragerons l'étudiant à travailler sur le terrain au moins quelques semaines pendant la thèse, si possible. Nous encouragerons également la participation à des conférences et la visite de laboratoires externes.

Context: The Arctic is losing ice, warming and its chemistry its changing due to global warming, with wide impacts on phytoplankton (Arrigo & Dijken, 2011; Kahru et al., 2011; Lewis et al., 2020). Indeed, documented satellite changes in ocean color over last 25 years are documented, including modified phenology and the appearance of fall blooms . The impact of those on primary productivity is however uncertain because of poorly quantified contribution of under-ice blooms. All this has possible cascading effect on the marine Arctic food web, ecosystems and fisheries. Projecting these changes in the future is more difficult than elsewhere. CMIP5 & 6 models diverge in the sign of NPP. Light & Nutrient limitation oppose (Vancoppenolle et al., 2013). Different regions may show opposite responses (Ref). General context of (i) low understanding of plankton dynamics in ice-covered seas, and (ii) poorly constrained and numerous mechanisms of change. Problem #1: Phenology of the Arctic plankton is quite specific (Ardyna & Arrigo, 2020). Polar night is unique and challenges survival of phytoplankton, do not know how it is possible. Ice and snow reduce light supply to surface ocean. Summer melt ponds increase it (Lebrun et al., 2023). Melting ice releases freshwater, which alleviates light limitation but strengthens nutrient limitation, at least initially. Then open water is then exposed to the atmosphere and to winds in particular, which may favour supply from below. Ice algae thrive in spring, in presumably small but quite uncertain amounts, in several microhabitats, only one or two of which have been reasonably well characterized observationally. Ice algae are associated with large amounts of organic materials. Upon melt and release in water column, ice algae could spike phytoplankton blooms or enhance carbon export. Regional forcings associated to rivers, sediments, atmospheres or glaciers may add up an extra level of complexity. Problem #2. Mechanisms of changes are many and not well constrained. Physical drivers. Less perennial ice, more seasonal ice, less snow, possibly more ponds; all of them imply increase in light supply. Changing ocean stratification and circulation. Temperature increase. Biological drivers. Role of ice algae as initiators of the blooms. Changes in species composition. External forcings. Atmospheric, glacial, river and sediment inputs. T-S, BGC and changes in air-sea fluxes ultimately impact marine chemistry, in particular pH. In this context of poor understanding, it is understandable that not only models but also specialists see increasing or decreasing NPP are equally plausible hypotheses. There are generally two avenues of research to progress. 1) Acquiring more observations. Complicated, slow and expensive. Does not tell about the future. 2) Running and analysing models can also be useful, however it has not been done much. Questions Therefore, in this thesis, we propose to progress our understanding of Arctic phytoplankton phenology and its future changes, mostly based on modelling tools and available observations. We will work around the following questions: - What are the most important mechanisms in setting bloom dynamics ? Are they well represented in models ? - What can we tell of recent past and future changes in Arctic phytoplankton and of their drivers ? - What are the scenarios for future evolution ? Are all futures equally plausible ? - Do we envision regional contrasts between different regions of the Arctic ? Methods: - Analyse existing simulations: CMIP, SOBUMS, OMIP - Run carefully crafted simulations. This could include sensitivity experiments, for which we would further constrain the role of specific processes (light, snow, ponds, . This could also include reconstruction of the recent past. - Use observational databases as reference (satellite ocean color & sea ice products, World Ocean Atlas and GLODAP hydrographic products, ) Environment & extra activities: LOCEAN is well suited and used to running modelling studies. The thesis is part of a national effort in the framework of the ClimArctic project, focused on the future Arctic climate change and impacts on its ecosystem. There are no specific activities associated with this thesis. However, we will encourage the student to be exposed to field work at least a few weeks during the thesis, if possible. We will also encourage participation to conferences and visit to external labs.