L'océan Austral joue un rôle crucial dans la régulation du système climatique en absorbant de grandes quantités de CO2 atmosphérique. Toutefois de nombreuses incertitudes demeurent quant à l'évolution récente du puits de carbone austral notamment en raison du manque d'observations et des lacunes des modèles océaniques dans la représentation de processus dynamiques comme les tourbillons. Depuis quelques décennies notamment, l'efficacité du puits de carbone austral diminuerait en raison d'une intensification des vents liée à une tendance positive du Mode Annulaire Austral (SAM). L'objectif de ces travaux de thèse est de décrire et comprendre la variabilité spatiale et temporelle récente des flux air-mer de CO2 dans l'océan Austral. Pour cela, des simulations de sensibilité aux phases positives du SAM sont réalisées dans une configuration régionale de l'océan Austral (sud de 30°S), basée sur un modèle couplé dynamique-biogéochimie forcé par l'atmosphère et résolvant partiellement la méso-échelle océanique. Dans l'océan Austral, la réponse des flux de CO2 au SAM correspond à un dégazage intense de CO2 dans la zone antarctique dû à une augmentation des concentrations de surface de carbone inorganique dissous (DIC). Cette augmentation est pilotée par la dynamique de la couche de mélange et alimentée par un transport méridien de DIC qui résulte essentiellement de la compétition entre circulation induite par les vents et par les méandres stationnaires. Ces travaux montrent l'apport d'une augmentation de la résolution numérique des modèles pour la simulation des flux de CO2. / By taking up large amounts of atmospheric CO2, the Southern Ocean helps to regulate the climate system. Southern Ocean carbon sink is poorly constrained, in part because data coverage is sparse and also because ocean models that have been used in such assessments fail to explicitly resolve key physical features such as mesoscale eddies. In recent decades, the growth of the Southern Ocean carbon sink may have been partly counteracted due to a loss of natural CO2 from the ocean driven by an intensification of westerlies, related to a positive trend in the Southern Annular Mode (SAM). This thesis focuses on documenting and understanding recent spatial and temporal variability of air-sea CO2 fluxes in the Southern Ocean. Sensitivity to positive phases of the SAM are tested by making simulations with a regional model of the Southern Ocean (south of 30°S) that couples biogeochemistry to the dynamics, is forced by atmosphere reanalysis data, and partially resolves the mesoscale. The resulting response of Southern Ocean CO2 fluxes to the SAM is dominated by a strong CO2 efflux to the atmosphere from the Antarctic Zone due to an increase in surface dissolved inorganic carbon (DIC). This increase is driven by the mixed-layer dynamics and is supplied by a meridional transport of DIC, a competition between the wind-driven circulation and the standing eddy-induced circulation. This work discusses the effect of increasing model resolution on simulated air-sea CO2 fluxes.

L'augmentation continue des concentrations atmosphériques de CO2 due aux activités anthropogéniques est un des principaux facteurs responsable du changement climatique. De par leur forte propension à stocker ce CO2 anthropogénique, les océans jouent un rôle essentiel dans le cycle global du carbone. La quantification des échanges air-mer de CO2 et de leur variabilité à diverses échelles spatio-temporelles représentent encore aujourd'hui un défi majeur dans l'étude du cycle global du carbone. Alors que les flux air-mer de CO2 sont relativement bien quantifiés en milieu océanique, les études réalisées en milieu marin côtier demeurent insuffisantes au regard de l'importante variabilité spatio-temporelle de ces échanges et de la diversité de ces écosystèmes. L'objectif de cette thèse est de mener une étude approfondie de la dynamique du système des carbonates et des échanges air-mer de CO2 à de multiples échelles spatio-temporelles au sein des écosystèmes contrastés du plateau continental nord-ouest européen. Ces systèmes particulièrement dynamiques d'un point de vue biogéochimique présentent l'avantage d'être représentatifs des principales structures hydrographiques des marges continentales tempérés. A ce jour, les études portant sur la dynamique du CO2 dans les eaux de la partie occidentale du plateau continental nord-ouest européen restent peu nombreuses. Du cycle diurne à une échelle multi-annuelle, d'une station fixe au large de Roscoff au plateau continental nord-ouest européen, et d'échantillons d'eau de mer à des données satellitaires, cette thèse offre un aperçu exhaustif de la complexité de la dynamique du système des carbonates et des flux air-mer de CO2 en milieu côtier. / The raise of atmospheric CO2 due to anthropogenic activities is a major driver of the climate change. The ocean plays a key role in the uptake of this anthropogenic CO2. The constraint of air–sea CO2 fluxes and their variability at various time and spatial levels remain a central task in global carbon cycle and climate studies. The contribution of open ocean to this uptake is presently rather well quantified, whereas the role of the coastal ocean to this process remains ambiguous due to the diversity and the high spatio-temporal variability of the CO2 system and air-sea CO2 fluxes in these ecosystems. This PhD thesis investigated the spatial and temporal variability of the CO2 system and air-sea CO2 fluxes in contrasted ecosystems of the north-west European continental shelf. These highly dynamic biogeochemical ecosystems host numerous key hydrographical structures (permanently well-mixed, seasonally stratified, frontal structures, estuarine) of temperate zones, in which the dynamic of the CO2 system were poorly documented. From tidal to multi-annual variability, from a fixed station off Roscoff to the north-west European continental shelf and from seawater samples to satellite data, this PhD thesis provides an integrative overview of the complexity of the CO2 system dynamics in coastal seas and the ongoing challenges to achieve.