Caractérisation des processus clés contrôlant l'intensité et l'efficacité de la pompe biologique à carbone dans l'océan global.

Characterization of key processes controlling the biological carbon pump's intensity and efficiency at the global ocean's scale

• Auteur / Autrice : Elsa Simon
• Direction : Laurent Coppola
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Cycles biogéochimiques et changements environnementaux globaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Océanographie de Villefranche sur Mer

Mots clés

Mots clés libres

Pompe biologique à carbone

Export de carbone

Flotteurs BGC-Argo

Biological carbon pump

Carbon export

BGC-Argo floats

Résumé

Contexte scientifique : L'activité photosynthétique du phytoplancton dans la zone euphotique de l'océan absorbe entre 50 et 60 Gt de carbone (C) atmosphérique par an, dont environ 10% est exporté, essentiellement par sédimentation des particules néoformées, vers la zone mésopélagique et éventuellement piégé pour des dizaines voire des milliers d'années (Henson et al., 2022). L'ensemble des processus qui gouvernent ce piégeage de C est connu sous le nom de pompe biologique à carbone (PBC). Sans l'action de la PBC, la concentration en C atmosphérique serait 50% plus élevée qu'actuellement (Parekh et al., 2006). Elle joue donc un rôle majeur sur le climat de notre planète. La matière organique exportée alimente aussi les écosystèmes mésopélagiques, par ailleurs exploités par l'industrie de la pêche. Une récente étude a montré que, malgré l'importance de la PBC, les modèles biogéochimiques sont incapables de prédire correctement son évolution future, dans un contexte de changement climatique (Henson et al., 2022). En effet, les différentes projections climatiques montrent des résultats contradictoires, avec des modifications de l'export de C allant de -41% à +1,8% d'ici 2100. Les principales limites pour améliorer notre compréhension du fonctionnement de la PBC sont la grande complexité et diversité des processus mis en jeu, souvent interconnectés, et l'absence de systèmes d'observation adaptés pour capturer leur variabilité spatio-temporelle. Deux processus ont récemment été identifiés comme étant des processus clés à prendre en compte dans les modèles pour améliorer les estimations actuelles et futures de la PBC : les migrations verticales du zooplancton et la fragmentation des particules qui sédimentent (Henson et al., 2022). Les migrations du zooplancton permettent un transport actif de la matière organique depuis la surface, où le zooplancton s'alimente, vers la zone mésopélagique où il respire, produit des pelotes fécales et éventuellement meurt, libérant du C dans le milieu (Steinberg and Landry, 2017). Ce mécanisme s'oppose au transport passif des particules qui sédimentent, communément appelé pompe gravitationnelle (Boyd et al., 2019). La fragmentation, notamment liée à l'activité du zooplancton, modifie le spectre de taille des particules et favorise la reminéralisation bactérienne (Steinberg et al., 2008). Ce processus serait responsable de ~50% de l'atténuation du flux de C dans la zone mésopélagique aux hautes latitudes (Briggs et al., 2020). Objectifs de la thèse : L'objectif principal de la thèse est de mieux caractériser les processus clés qui contrôlent l'intensité et l'efficacité de la PBC à l'échelle globale. La saisonnalité des processus sera étudiée dans différentes régions stratégiques, représentatives de la variabilité globale des conditions environnementales. Les migrations verticales du zooplancton ainsi que la fragmentation seront particulièrement ciblées. Les questions principales sont : Quelle est la dynamique temporelle des migrations ? A quelle profondeur migre le zooplancton ? Quels sont les facteurs biotiques ou abiotiques qui contrôlent ces migrations ? Quelle est la biomasse des organismes migrateurs ? Comment varient les taux de fragmentation selon la profondeur, la saison, la région et le type de particule ? Quels sont les facteurs qui contrôlent ces taux de fragmentation ? Les résultats attendus de cette thèse fourniront une base solide pour développer des paramétrisations simples des différents processus qui pourront être incorporer dans les modèles biogéochimiques afin de mieux prédire l'évolution future de la PBC. Méthodologie : Cette thèse s'inscrit dans le contexte du projet européen REFINE (ERC) qui vise à déployer 22 flotteurs biogéochimiques (BGC-Argo) nouvelle génération dans 8 zones clés représentative de la diversité des régimes productifs et des caractéristiques biogéochimiques de l'océan global. Sur des durées allant trois à cinq ans, ces flotteurs réalisent des profils verticaux tous les dix jours de la surface à 1000 m et dérivent entre temps à une profondeur fixe tout en mesurant un ensemble de variables physiques et biogéochimiques. Ils seront notamment équipés d'un imageur (UVP6) qui permet de quantifier et d'identifier les principaux groupes zooplanctoniques (>600 µm) et d'estimer le spectre de taille des particules >100 µm. Ils seront aussi équipés d'une trappe optique à particule (transmissiomètre) qui permet d'estimer les flux de C dans la zone mésopélagique. Les mesures réalisées pendant la dérive à 200 m seront exploitées pour étudier la dynamique temporelle des migrations verticales alors que les profils verticaux seront utilisés pour quantifier la biomasse des migrateurs (migration diurne). La méthode développée par Briggs et al. (2020) sera adaptée pour quantifier les taux de fragmentation à partir des spectres de taille mesurés par l'UVP6. Une approche par modélisation 1D est aussi envisagée (collaboration avec Marti Gali et Joan LLort, Barcelona Supercomputing Center (BSC), Espagne). L'acquisition de données sur un cycle annuel complet et dans une grande diversité de zones permettra de caractériser la variabilité spatio-temporelle de ces processus clés jusqu'alors totalement méconnue.

Scientific background: The photosynthetic activity of phytoplankton in the euphotic zone of the ocean absorbs between 50 and 60 Gt of atmospheric carbon (C) per year, of which approximately 10% is exported, essentially by sedimentation of newly formed particles, towards the mesopelagic zone and possibly trapped for tens or even thousands of years (Henson et al., 2022). The set of processes that govern this carbon sequestration is known as the biological carbon pump (BCP). Without the action of BCP, the atmospheric C concentration would be 50% higher than currently (Parekh et al., 2006). It therefore plays a major role in the climate of our planet. The exported organic matter also feeds the mesopelagic ecosystems, which are also exploited by the fishing industry. A recent study has shown that despite the importance of BCP, biogeochemical models are unable to correctly predict its future evolution in the context of climate change (Henson et al., 2022). Indeed, the different climate projections show contradictory results with changes in C export ranging from -41% to +1.8% by 2100. The main limitations to improving our understanding of how BCP works are the great complexity and diversity of the processes involved, often interconnected, and the absence of suitable observation systems to capture their spatio-temporal variability. Two processes have recently been identified as key processes to consider in models to improve current and future estimates of BCP: vertical migrations of zooplankton and fragmentation of sinking particles (Henson et al., 2022). Zooplankton migrations allow active transport of organic matter from the surface where zooplankton feed to the mesopelagic zone where they breathe, produce faecal pellets and eventually die, releasing C into the environment (Steinberg and Landry, 2017). This mechanism is opposed to the passive transport of sinking particles, commonly referred to as the gravitational pump (Boyd et al., 2019). Fragmentation, particularly linked to zooplankton activity, modifies the particle size spectrum and promotes bacterial remineralization (Steinberg et al., 2008). This process is thought to be responsible for ~50% of the attenuation of C flux in the mesopelagic zone at high latitudes (Briggs et al., 2020). Objectives: The main objective is to better characterize the key processes controlling the intensity and efficiency of BCP on a global scale. The seasonality of the processes will be studied in different strategic regions which are representative of the global variability of the environmental conditions. The vertical migrations of zooplankton as well as fragmentation will be particularly targeted. The main questions are: What are the temporal dynamics of migration? How deep do zooplankton migrate? What are the biotic or abiotic factors that control these migrations? What is the biomass of migrating organisms? How do fragmentation rates vary with depth, season, region, and particle type? What factors control these fragmentation rates? The expected results of this thesis will provide a solid basis to develop simple parameterizations of the different processes that can be incorporated into biogeochemical models to better predict the future evolution of BCP. Methodology : This thesis is part of the European REFINE project (ERC) which aims to deploy 22 new generation biogeochemical floats (BGC-Argo) in 8 key areas representative of the diversity of productive regimes and biogeochemical characteristics of the global ocean. Over periods ranging from three to five years, these floats perform vertical profiles every ten days from the surface to 1000 m and drift in the meantime at a fixed depth while measuring a set of physical and biogeochemical variables. In particular, they will be equipped with an imager (UVP6) which makes it possible to quantify and identify the main zooplankton groups (>600 µm) and to estimate the size spectrum of particles >100 µm. They will also be equipped with an optical particle trap (transmissiometer) which makes it possible to estimate C fluxes in the mesopelagic zone. The measurements taken during the drift at 200 m will be used to study the temporal dynamics of vertical migrations while the vertical profiles will be used to quantify the biomass of migrants (diurnal migration). The method developed by Briggs et al. (2020) will be adapted to quantify fragmentation rates from size spectra measured by UVP6. A 1D modeling approach is also considered (collaboration with Marti Gali and Joan LLort, Barcelona Supercomputing Center (BSC), Spain). The acquisition of data over a complete annual cycle and in a wide variety of areas will make it possible to characterize the spatio-temporal variability of these key processes, so far totally unknown.