Impact of sub-mesoscale fronts on phytoplankton quantified by satellite imagery
Impact des fronts sur le phytoplancton dans la région du Gulf Stream quantifié par imagerie satellitaire
Résumé
At the base of the food chain in the oceans is phytoplankton: a collection of microorganisms that create organic matter from dissolved carbon, nutrients, and light. Ocean currents affect the growth of phytoplankton in different ways. In particular, sub-mesoscale structures of scales of 1-10 km and evolving over characteristic times ranging from day to week, play an important role in the biogeochemical landscape of the oceans. Due to their small size and short lifetimes, they are difficult to observe -both by in situ and satellite measurements- and to represent correctly in numerical models. Here we focus on two effects of density fronts of such scales. They generate vertical secondary circulations, whose ascending branch can potentially bring nutrients from the deep waters to the lit surface layers. This local input of nutrients, and the resulting increase in productivity, has been widely observed, but the quantification of its global impact is not yet well established. These fronts also tend, still locally, to restratify surface layers. Numerical models have shown that this process can lead to earlier spring blooms. In this thesis, we use 20 years of satellite images to better quantify these effects in the region surrounding the Gulf Stream. From the satellite surface temperature (SST) we compute a heterogeneity index (HI) in order to detect fronts, and separate them into weak fronts (sub-mesoscale and ephemeral) and strong fronts. We separate the region into three biomes: permanent and seasonal subtropical, and subpolar. We compare chlorophyll-a (Chl-a) values outside and inside the fronts (weak and strong). We find that weak fronts are associated with a smaller local excess of Chl-a than strong fronts, but due to their ubiquity the excess of Chl-a they induce at the scale of the biome is similar. The local excess of Chl-a in fronts is 2 to 3 times greater in the subpolar biome than in the oligotrophic region. Despite dramatic impacts at the local scale, with increases of up to +60%, the effect of fronts at the regional (i.e. biome) scale is more modest, reaching at most +5%. Finally, we measure differences in the bloom onset and duration between the fronts and the background, and thus provide the first observational quantification of this effect. We find that the duration of the bloom is not significantly affected, but that the bloom triggers earlier in the fronts, by one to two weeks. These results further the quantification of the impacts of fine-scale currents on biogeochemistry, thus helping to identify the significant processes and to better constrain climate models, still subject to high uncertainties in this area. This work raises several key points in the establishment of this quantification. We have focused only on total Chl-a, without examining the responses of the different phytoplankton groups, for which individual concentrations can be obtained by satellite. The extension of these results to other regions and to the global scale is however a future step in this global quantification effort. We therefore highlight the technical challenges that these perspectives imply, some of which we have encountered in this work, but also the solutions that we have used and others that we think are important to implement in the near future.
À la base de la chaîne trophique dans les océans se trouve le phytoplancton: un ensemble de micro-organismes créant de la matière organique à partir du carbone dissous, de nutriments, et de lumière. Les courants océaniques affectent la croissance du phytoplancton de différentes manières. En particulier, les structures (dites de submésoéchelle) à des échelles comprises entre 1 et 10 km, et évoluant sur des temps caractéristiques allant du jour à la semaine, jouent un rôle important pour le paysage biogéochimique des océans. Du fait de leur taille et leur temps de vie caractéristiques réduits, elles sont cependant difficiles à observer -à la fois par mesures in situ et par satellite- et à représenter correctement dans les modèles numériques. Nous nous penchons sur deux effets des fronts de densité à ces échelles. Ces derniers génèrent des circulations secondaires verticales, dont la branche ascendante peut remonter des nutriments depuis les eaux profondes vers les eaux ensoleillées de surface. Cet apport local de nutriment, et l'augmentation de productivité qui s'ensuit, a largement été observé, mais la quantification de son impact global n'est pas encore bien établi. Ces fronts tendent également à favoriser, toujours localement, la restratification des eaux de surface. Des modèles numériques ont montré que ce processus pouvait occasionner des blooms printaniers plus précoces. Dans cette thèse, nous utilisons 20 années d'images satellitaires afin de mieux quantifier ces effets dans la région entourant le Gulf Stream. À partir de la température de surface satellite (SST) nous calculons un indice d'hétérogénéité (HI) afin de détecter les fronts, et les séparer en fronts faibles (ceux de submésoéchelle, éphémères) et fronts forts. Nous séparons la région en trois biomes: subtropicaux permanent et saisonnier, et subpolaire. Nous comparons les valeurs de chlorophylle-a (Chl-a) à l'extérieur et dans les fronts (faibles et forts). Nous constatons que les fronts faibles sont associés à un excès local de Chl-a moins important que les fronts forts, mais du fait de leur ubiquité le surplus de Chl-a qu'ils induisent à l'échelle du biome est comparable. L'excès local de Chl-a dans les fronts est 2 à 3 fois plus important dans le biome subpolaire que dans la région oligotrophe. Malgré des impacts spectaculaires à l'échelle locale, avec des augmentations jusqu'à de +60%, l'effet des fronts à l'échelle régionale (i.e. des biomes) est plus modeste, atteignant au maximum +5%. Enfin, nous mesurons les différences dans les jours de démarrage du bloom et dans sa durée, entre les fronts et l'arrière-plan, et fournissons ainsi la première quantification par observation de cet effet. Nous constatons que la durée du bloom n'est pas significativement affectée, mais que le bloom démarre plus tôt dans les fronts, d'une à deux semaines. Ces résultats approfondissent la quantification des impacts des courants de fines échelles sur la biogéochimie, aidant ainsi à cerner les processus déterminants et à mieux contraindre les modèles climatiques encore sujets à de fortes incertitudes en cette matière. Ce travail soulève plusieurs points clés dans l'établissement de cette quantification. Nous nous sommes uniquement penchés sur la Chl-a totale, sans examiner les réponses des différents groupes de phytoplancton, dont l'obtention des concentrations individuelles par satellite est possible. Par ailleurs, nous avons montré les contrastes régionaux existants dans une zone relativement réduite, et les difficultés liées à la découpe en biorégions homogènes. L'extension de ces résultats à d'autres régions et à l'échelle globale constitue cependant une étape future dans cet effort de quantification globale. Nous soulignons donc les défis techniques que ces perspectives impliquent, certains que nous avons rencontré dans cette étude, mais aussi les solutions que nous y avons opposées, et celles que nous pensons importantes à implémenter dans un futur proche.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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