Turbulence and waves in natural stratified environment
Turbulences et ondes en milieu naturel stratifié : deux études de cas : étude du mélange turbulent et des ondes internes du lac Pavin (Auvergne, France) ; influence des ondes de Rossby sur la concentration en chlorophylle de surface dans l'upwelling du Pérou
Résumé
In aquatic environments, hydrodynamics and turbulent mixing are key parameters which determine the transport of chemical substances and microorganisms. This work focuses on these phenomena and comes within the scope of today’s physical limnology and oceanography issues as seen through two case studies: Lake Pavin (Auvergne, France) and the upwelling region off Peru. One major interest of this work is the change in observation scales of the aquatic environment ranging from millimetre (microstructure investigations) to kilometre scales (Rossby wave study). Lake Pavin is the only meromictic lake in France, which means that the bottom layer of the lake does not undergo seasonal mixing. Meromixis concerns other wider basins than Lake Pavin, such as the Black Sea, the Caspian Sea and Lake Baïkal for example, and can be of great ecological importance. Meromixis creates particular physical conditions in Lake Pavin, that are studied in the framework of this PhD. In particular, this work highlights diapycnal mixing and water column stability variability at different spatial and time scales in Lake Pavin using microstructure and continuous measurements. Moreover, internal gravity wave propagations in the water column are studied in the particular framework of meromixis by using a two dimensional model. These waves generate significant vertical advective water movements, which must be taken into account for sampling protocols in the lake. At last, a sublacustrine intrusion seems to have great importance in the determination of mixing depth during seasonal overturn and in the maintaining of meromixis. The Peru upwelling zone is one of the most fish aboundant ocean region in the world. It is characterized by strong primary productivity, which can be detected by satellite observations. The satellite observation of Rossby waves shows that they influence more than 50% of the intra-annual sea surface chlorophyll concentration variability at a few hundreds of kilometres from the shore. Waves transport chlorophyll offshore and contribute to the extension of the high productivity zone. Through various measurement techniques and satellite observations, and using conceptual models, this work shows the influence of hydrodynamic factors on the organisation of biogeochemical parameters in these two ecosystems
Dans les milieux aquatiques, les facteurs liés à l’hydrodynamique et au mélange aux échelles de la turbulence sont déterminants pour le transport des substances chimiques et des micro-organismes. Ce travail s’intéresse à ces phénomènes physiques et se situe à la frontière entre la limnologie physique et l’océanographie physique, au travers de l’étude de deux cas : le lac Pavin (Auvergne, France) et la région d’upwelling au large du Pérou. Un des intérêts de ce travail réside dans le changement d’échelle de l’observation de milieux naturels aquatiques allant de l’échelle millimétrique (étude de la microstructure dans le Lac Pavin) à l’échelle de la centaine de kilomètres (étude des ondes de Rossby). Le Lac Pavin est le seul lac méromictique français, ce qui signifie que le compartiment inférieur du lac ne se mélange pas annuellement. La méromicticité concerne pourtant bien d’autres bassins, plus connus et plus vastes comme la Mer Noire, la Mer Caspienne, le lac Baïkal, d’où son importance écologique. Sa méromicticité lui confère des propriétés physiques particulières, étudiées dans le cadre de cette thèse. L’étude de la variabilité du mélange diapycnal à différentes échelles de temps et d’espace dans le lac Pavin au travers de mesures de microstructure et de surveillance en continu des principaux paramètres physiques a conduit à mettre en évidence la variabilité de la stabilité de la colonne d’eau à l’échelle interannuelle. Par ailleurs, les propagations d’ondes internes de gravité sont étudiées dans ce cadre particulier à l’aide d’un modèle linéaire bidimensionnel. Elles génèrent des mouvements advectifs verticaux importants dans toute la colonne d’eau dont il faut tenir compte dans les protocoles d’échantillonnage chimiques ou biologiques. Enfin, une intrusion sous lacustre semble avoir une grande importance dans la détermination de la profondeur du mélange hivernal et le maintien de la méromicticité. La zone de l’upwelling du Pérou est parmi les plus poissonneuses au monde. Elle est caractérisée par une forte productivité primaire, observable par satellite. L’observation des ondes de Rossby a permis de mettre en évidence qu’elles génèrent plus de 50% de la variabilité observée à l’échelle intra saisonnière sur la concentration en chlorophylle de surface, à distance des côtes. Les ondes transportent la chlorophylle vers le large et participent à la détermination de l’extension de la zone de forte productivité primaire. A travers des mesures variées allant de la microstructure à l’observation satellite et grâce à l’utilisation de modèles conceptuels, la thèse met en évidence l’influence certaine des facteurs hydrodynamiques sur l’organisation des paramètres biogéochimiques de ces deux écosystèmes
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Sciences de la Terre| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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