Vertical velocities and fine scale dynamics
Vitesses verticales et dynamique de fine échelle
Résumé
Oceanic fine scales (from 0.1 to 100 km, from a few days to few weeks), characterized by structures such as eddies, fronts or filaments, generate vertical velocities and play a key role in the global balance of the oceans by impacting vertical exchanges that are strongly correlated with climate change (nutrients, carbon, marine micro-organisms). These structures are naturally present in the ocean, but their rapid evolution makes in situ sampling particularly difficult. Vertical velocities, which are one to two orders of magnitude smaller than horizontal ones, have long been simply parameterized or neglected as unmeasurable. The aims of this thesis are to overcome this challenge by developing new innovative and high-performance techniques for the in situ measurement of vertical velocities, and to understand their consequences in fine scales.
The first major component of this thesis is the development of two new methodologies enabling in situ measurement of the vertical velocities with a precision adapted to their target order of magnitude (a few 10-3 ms-1). The Free Fall ADCP and the Vertical Velocity Profiler were achieved, based on tests in semi-controlled environments and at sea, and on three oceanographic cruises: FUMSECK (2019), PROTEVS-Gascogne (2022), and BIOSWOT-Med (2023).
The second component involves the use of methodologies more commonly encountered in the study of oceanic vertical velocities, through the analysis of ADCP data, of a numerical ocean circulation model (SYMPHONIE), but also through the resolution of the ω-equation. These approaches are applied based on the FUMSECK cruise data, enabling us to analyze the influence of vertical movements on phytoplankton dynamics.
Les fines échelles océaniques (de 0.1 à 100 km, durée de vie de quelques jours à quelques semaines), caractérisées par des structures de type tourbillons, fronts ou filaments, sont génératrices de vitesses verticales et jouent un rôle clé dans l’équilibre global des océans en impactant les échanges verticaux fortement corrélés au changement climatique (sels nutritifs, carbone, micro-organismes marins). Ces structures sont naturellement présentes dans l’océan mais leur évolution rapide rend l’échantillonnage in situ particulièrement difficile. Ainsi, les vitesses verticales, d’un à deux ordres de grandeur plus petites que les vitesses horizontales, ont longtemps été simplement paramétrées ou négligées car considérées comme non mesurables. Les objectifs de cette thèse sont de relever ce défi par l’élaboration de techniques innovantes et performantes pour la mesure in situ des vitesses verticales, ainsi que de comprendre leur l’influence dans les fines échelles.
Le premier axe de cette thèse est le développement de deux nouvelles méthodologies permettant la mesure in situ des vitesses verticales avec une précision adaptée à l’ordre de grandeur cible (quelques 10-3 m s-1). Cet axe a abouti au free fall ADCP et au Vertical Velocity Profiler, prenant appui sur des tests en environnement semi-contrôlé et en mer, ainsi que sur trois campagnes océanographiques : FUMSECK (2019), PROTEVS-Gascogne (2022), et BIOSWOT-Med (2023).
Le second axe correspond à l’approfondissement de méthodologies couramment rencontrées dans l’étude des vitesses verticales océaniques, par l’analyse de données d’ADCP, d’un modèle numérique de circulation océanique (SYMPHONIE), mais également par la résolution de l’équation-ω. Ces approches ont été appliquées dans le cadre du projet FUMSECK, permettant d’analyser l’influence des mouvements verticaux sur la dynamique phytoplanctonique.
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