Au printemps, l'accroissement de la température de l'air et de l'irradiation solaire mènent à la réouverture et à l'expansion du réseau de canaux dans la glace de mer. Ainsi qu'illustré par l'épisode de drainage de la saumure au début de la période de fonte, l'accroissement du diamètre des canaux de saumure se traduit par une augmentation de la perméabilité de la glace permettant des éventuels écoulements poreux. Les crêtes de pression sont des obstacles de grande échelle qui font un blocage sur le courant marin et génèrent des champs de pression dans leur sillage. L'inversion des courants causée par le cycle de marée conduit à l'établissement d'un cycle semi-diurne sur le champ de pression à l'interface glace-océan aux abords des crêtes. La glace étant perméable au printemps, cela se traduit par un effet de pompage qui suggère l'existence d'un processus d'exportation nette de saumure vers l'océan. D'un point de vue thermodynamique, cela résulterait parallèlement en une exportation de chaleur latente associée à une fonte volumique de la glace. Considérant que les modèles actuels ne prennent en compte qu'une fonte de l'interface glace-océan, cette dynamique serait d'un impact significatif sur les bilans d'énergie des mers recouvertes de glace en période de fonte. Ce projet de recherche vise à explorer la dynamique des échanges poreux glace-océan aux abords des crêtes. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle numérique d'une glace de mer poreuse soumise à un champ de pression à son interface glace-océan. Notre modèle est complètement défini par les équations différentielles de conservation de la masse, du mouvement, des sels et de la chaleur qui sont couplées via l'équation de la température de congélation de l'eau de mer. Les équations sont discrétisées sur une grille numérique rectangulaire de type Arakawa C avec un maillage homogène à pas constant et sont résolues par une méthode numérique aux volumes finis. Les résultats obtenus à partir de notre modèle nous ont permis de valider l'hypothèse d'une exportation de saumure de la glace vers l'océan dans le sillage d'une crête de pression. En outre, l'étude de la dynamique du bassin de saumure contenue dans la glace située derrière la crête montre que l'écoulement généré dans la glace est principalement orienté verticalement avec une légère composante horizontale en direction de la quille. Le processus vertical d'adaptation hydrodynamique de la saumure au cours d'un cycle de marée peut être décrit en 2 phases: une phase d'expulsion de la saumure et une phase de retour à l'équilibre hydrostatique avec la condition normale de pression sous la glace. La première phase est associée à la génération d'un champ de pression à l'interface glace-océan dans la zone protégée par la quille et à l'expulsion de la saumure de la glace vers la couche océanique. La seconde phase correspond au retrait du champ de pression et à la remontée de la saumure dans la glace accompagnée d'une infiltration d'eau de mer dans la couche inférieure du pied de glace. Sous certaines conditions, l'épaisseur du pied de glace affecté par la remontée de l'eau de mer peut atteindre une hauteur de plus de 2 cm. Dans un même ordre d'idées, l'analyse des bilans volumiques dans la zone affectée par la quille a permis de souligner que le bilan expulsion- infiltration est négatif. Ceci suggère que l'écoulement poreux forcé dans le sillage d'une quille par le champ de pression à l'interface induit un effet de pompage qui provoque une migration horizontale interne de la saumure dans la glace depuis les régions hors de la zone d'influence de la crête vers celle-ci. Au cours d'un cycle expulsion/infiltration, le bilan d'énergie glace-océan peut alors être établie comme étant la chaleur latente libérée pour produire le volume expulsé de saumure à partir d'un volume équivalent d'eau de mer diluée par la fonte de la matrice de glace pure. En effet, négligeant l'apport d'une fonte de la neige en surface, une exportation d'un volume donné de saumure implique une infiltration d'un volume identique d'eau de mer dans la glace. On peut ainsi scinder le bilan d'énergie extraite de la glace en deux composantes: l'une résultant de la fonte volumique dans la région d'influence de la crête et l'autre résultant de l'advection d'eau de fonte depuis la plaque adjacente. En conclusion, les estimations obtenues à partir de nos simulations suggèrent que l'ordre de grandeur de l'impact global des crêtes de pression sur le bilan énergétique glace-océan est non négligeable et mérite d'être étudié davantage avec un ordre de grandeur sur le flux de chaleur latente glace-océan qui pourrait atteindre jusqu'à 7 W/m2.

Au printemps, l'accroissement de la température de l'air et de l'irradiation solaire mènent à la réouverture et à l'expansion du réseau de canaux dans la glace de mer. Ainsi qu'illustré par l'épisode de drainage de la saumure au début de la période de fonte, l'accroissement du diamètre des canaux de saumure se traduit par une augmentation de la perméabilité de la glace permettant des éventuels écoulements poreux. Les crêtes de pression sont des obstacles de grande échelle qui font un blocage sur le courant marin et génèrent des champs de pression dans leur sillage. L'inversion des courants causée par le cycle de marée conduit à l'établissement d'un cycle semi-diurne sur le champ de pression à l'interface glace-océan aux abords des crêtes. La glace étant perméable au printemps, cela se traduit par un effet de pompage qui suggère l'existence d'un processus d'exportation nette de saumure vers l'océan. D'un point de vue thermodynamique, cela résulterait parallèlement en une exportation de chaleur latente associée à une fonte volumique de la glace. Considérant que les modèles actuels ne prennent en compte qu'une fonte de l'interface glace-océan, cette dynamique serait d'un impact significatif sur les bilans d'énergie des mers recouvertes de glace en période de fonte. Ce projet de recherche vise à explorer la dynamique des échanges poreux glace-océan aux abords des crêtes. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle numérique d'une glace de mer poreuse soumise à un champ de pression à son interface glace-océan. Notre modèle est complètement défini par les équations différentielles de conservation de la masse, du mouvement, des sels et de la chaleur qui sont couplées via l'équation de la température de congélation de l'eau de mer. Les équations sont discrétisées sur une grille numérique rectangulaire de type Arakawa C avec un maillage homogène à pas constant et sont résolues par une méthode numérique aux volumes finis. Les résultats obtenus à partir de notre modèle nous ont permis de valider l'hypothèse d'une exportation de saumure de la glace vers l'océan dans le sillage d'une crête de pression. En outre, l'étude de la dynamique du bassin de saumure contenue dans la glace située derrière la crête montre que l'écoulement généré dans la glace est principalement orienté verticalement avec une légère composante horizontale en direction de la quille. Le processus vertical d'adaptation hydrodynamique de la saumure au cours d'un cycle de marée peut être décrit en 2 phases: une phase d'expulsion de la saumure et une phase de retour à l'équilibre hydrostatique avec la condition normale de pression sous la glace. La première phase est associée à la génération d'un champ de pression à l'interface glace-océan dans la zone protégée par la quille et à l'expulsion de la saumure de la glace vers la couche océanique. La seconde phase correspond au retrait du champ de pression et à la remontée de la saumure dans la glace accompagnée d'une infiltration d'eau de mer dans la couche inférieure du pied de glace. Sous certaines conditions, l'épaisseur du pied de glace affecté par la remontée de l'eau de mer peut atteindre une hauteur de plus de 2 cm. Dans un même ordre d'idées, l'analyse des bilans volumiques dans la zone affectée par la quille a permis de souligner que le bilan expulsion- infiltration est négatif. Ceci suggère que l'écoulement poreux forcé dans le sillage d'une quille par le champ de pression à l'interface induit un effet de pompage qui provoque une migration horizontale interne de la saumure dans la glace depuis les régions hors de la zone d'influence de la crête vers celle-ci. Au cours d'un cycle expulsion/infiltration, le bilan d'énergie glace-océan peut alors être établie comme étant la chaleur latente libérée pour produire le volume expulsé de saumure à partir d'un volume équivalent d'eau de mer diluée par la fonte de la matrice de glace pure. En effet, négligeant l'apport d'une fonte de la neige en surface, une exportation d'un volume donné de saumure implique une infiltration d'un volume identique d'eau de mer dans la glace. On peut ainsi scinder le bilan d'énergie extraite de la glace en deux composantes: l'une résultant de la fonte volumique dans la région d'influence de la crête et l'autre résultant de l'advection d'eau de fonte depuis la plaque adjacente. En conclusion, les estimations obtenues à partir de nos simulations suggèrent que l'ordre de grandeur de l'impact global des crêtes de pression sur le bilan énergétique glace-océan est non négligeable et mérite d'être étudié davantage avec un ordre de grandeur sur le flux de chaleur latente glace-océan qui pourrait atteindre jusqu'à 7 W/m2.

La mer Méditerranée Nord occidentale est une des rares régions dans le monde où le phénomène de convection profonde se produit au large. La circulation cyclonique locale amène des eaux faiblement stratifiées à la surface et peut, sous certaines conditions atmosphériques hivernales spécifiques à la région (vents froids venant du nord et induisant des pertes de chaleur intenses à la surface de l'océan), mener à un mélange vertical diapycnal. Le phénomène de convection est à l'origine des eaux qui se forment en hiver: la WIW (Winter Intermediate Water) et les nWMDW (new Western Mediterranean Deep Waters). Quand les forçages atmosphériques diminuent en intensité, la restratification de la zone mélangée commence par l'advection d'eaux légères environnantes. Des structures de mésoéchelle et de submésoéchelle jouent un rôle important pendant ces évènements à la fois par l'approfondissement de la couche de mélange et l'export des eaux nouvellement formées. Le modèle SYMPHONIE a été implémenté avec une résolution de 1km sur le bassin nord occidental et les évènements de convection des hivers récents ont été simulés. Le premier objectif a été de vérifier la capacité du modèle à haute résolution à reproduire la réponse océanique aux forçages atmosphériques en terme de formation de masses d'eau et de représentation des structures de submésoéchelle. Cette validation a été réalisée par comparaisons avec un jeu de données disponibles et issues de l'observation. L'activité des petites échelles et le rôle qu'elles jouent dans un contexte d'approfondissement de la couche de mélange en hiver ont été soulignés. La dynamique agéostrophique qu'elles développent par la submésoéchelle contribue à une augmentation des vitesses verticales et de la diffusion latérale des propriétés de l'océan induisant une plus forte densification globale de la couche de mélange. Comme conséquences, la formation d'eaux denses ainsi que la ventilation des eaux profondes du bassin est favorisée. Pour la première fois, la formation de SCVs (Submesoscale Coherent Vortices) suite à un évènement de convection profonde a été modélisée en Méditérranée Nord-Occidentale en utilisant un modèle numérique à haute résolution dans un contexte réaliste. Des structures tourbillonnaires cycloniques et anticycloniques se forment à la frontière de la zone de mélange et présentent des temps de vie parfois supérieurs à une année reflètant de très lents processus de diffusion entre leur coeur et les eaux environnantes. Ces tourbillons sont typiques des SCVs observés jusqu'à présent dans les zones de convection profonde, participent dans une proportion importante (30%) à l'export des eaux nouvellement formées et jouent un rôle considérable dans la ventilation des eaux profondes du bassin. / The North Western Mediterranean Sea is one of the few regions in the world where open-ocean deep convection occurs. The local cyclonic circulation brings weakly stratified waters close to the surface, that can, under special atmospheric conditions (winter strong cold winds and high heat loss rates), lead to vertical diapycnal mixing. This convection phenomenon is the origin of newly formed winter waters: Winter Intermediate Water (WIW) and new Western Mediterranean Deep Waters (nWMDW). When the strong forcing stops, the restratification of the mixed patch occurs by lateral advection of surrounding lighter waters. Mesoscale and submesoscale structures play an important role during these events, both by the sinking and the spreading of the new water formed. The SYMPHONIE model was implemented at 1km resolution over the north-western Mediterranean where recent convective years were simulated. The first objective was to review the capabilities of the high resolution model to reproduce the oceanic response to strong atmospheric cooling in terms of water formation and to resolve the submesoscale structures. To do so, comparisons were performed with the available data set. The activity of the small scale structures and the role they played were highlighted in a context of winter mixed layer deepening. The ageostrophic dynamic developed by submesoscale contributes to the enhancement of vertical velocities and lateral dispersion of properties leading to a global increase of surface layer density. As a consequence, the dense water formation and the ventilation of the deep basin is favored. For the first time, the formation of Submesoscale Coherent Vortices (SCVs) during deep convection events was documented in a realistic high resolution numerical simulation of the oceanic circulation in the north-western Mediterranean Sea. Anticyclonic and cyclonic eddies were formed presenting lifetimes exceeding one year and reflecting very slow diffusive processes between their core and their surroundings. These eddies were typical of SCVs observed in deep convection areas so far, which were found to participate in the spreading of a significant proportion (30%) of the newly formed waters and were of much importance for the ventilation of the deep basin.

Le lac Saint-Jean est reconnu comme étant un endroit de prédilection pour la pêche sportive à la ouananiche. Cependant, ce poisson a connu des fluctuations importantes de son abondance. Ceci a poussé la communauté, et particulièrement les scientifiques à s'intéresser à la structure du réseau trophique de ce saumon d'eau douce. L'éperlan arc-en- ciel et l'omisco sont deux poissons fourrages en importance au lac Saint-Jean. Ces poissons sont susceptibles d'effectuer une prédation importante sur le zooplancton lors de leurs jeunes stades. Le but de cette étude était de décrire et quantifier cet impact. Pour ce faire, huit missions d'échantillonnage ont eu lieu en 2009 pour la récolte de poissons allant du stade larvaire au stade juvénile. Un total de 312 éperlans arc-en-ciel et 123 omiscos ont été examinés pour décrire le régime alimentaire. Par la suite, 78 éperlans arc-en-ciel et quatre taxons planctoniques ont été analysés pour mesurer leur teneur en mercure. En utilisant un modèle de bilan massique de mercure, des taux de consommation ont été calculés pour les éperlans de l'année et ceux âgés d'un an. Les résultats de cette étude ont démontré que le régime alimentaire de l'omisco et de l'éperlan était différent. L'omisco se nourrit principalement de proies zoobenthiques et de proies zooplanctoniques littorales. De l'autre côté, les jeunes éperlans arc-en-ciel de l'année se nourrissent exclusivement de zooplancton. Les éperlans arc-en-ciel âgés d'un an favorisent une alimentation de zooplancton. Ils peuvent également inclure à l'occasion des insectes dans leur alimentation. D'autre part, le taux de consommation de zooplancton par l'éperlan arc-en-ciel a varié en fonction du développement. Au début du stade larvaire, ce poisson ingère près de 70 % de son propre poids corporel alors que ce pourcentage décroit entre 11 et 25 % pour le reste de l'été. En automne, la consommation atteint moins de 5 %. À sa deuxième saison de croissance, la consommation de l'éperlan arc-en-ciel est à son maximum au début de l'été avec des taux de presque 30 % par rapport à son poids corporel. À l'automne, ce pourcentage décline pour atteindre entre 0 et 5 %. La consommation importante en début de saison est nécessaire pour la prise de poids et la bonne croissance. La biomasse du zooplancton qui est à son maximum durant l'été et basse durant l'automne pourrait expliquer les patrons saisonniers de consommation observés. Ces résultats combinés à l'abondance de poissons dans le lac Saint-Jean permettront de quantifier l'impact de ces poissons sur le zooplancton en vue d'une meilleure gestion des stocks.

Le lac Saint-Jean est reconnu comme étant un endroit de prédilection pour la pêche sportive à la ouananiche. Cependant, ce poisson a connu des fluctuations importantes de son abondance. Ceci a poussé la communauté, et particulièrement les scientifiques à s'intéresser à la structure du réseau trophique de ce saumon d'eau douce. L'éperlan arc-en- ciel et l'omisco sont deux poissons fourrages en importance au lac Saint-Jean. Ces poissons sont susceptibles d'effectuer une prédation importante sur le zooplancton lors de leurs jeunes stades. Le but de cette étude était de décrire et quantifier cet impact. Pour ce faire, huit missions d'échantillonnage ont eu lieu en 2009 pour la récolte de poissons allant du stade larvaire au stade juvénile. Un total de 312 éperlans arc-en-ciel et 123 omiscos ont été examinés pour décrire le régime alimentaire. Par la suite, 78 éperlans arc-en-ciel et quatre taxons planctoniques ont été analysés pour mesurer leur teneur en mercure. En utilisant un modèle de bilan massique de mercure, des taux de consommation ont été calculés pour les éperlans de l'année et ceux âgés d'un an. Les résultats de cette étude ont démontré que le régime alimentaire de l'omisco et de l'éperlan était différent. L'omisco se nourrit principalement de proies zoobenthiques et de proies zooplanctoniques littorales. De l'autre côté, les jeunes éperlans arc-en-ciel de l'année se nourrissent exclusivement de zooplancton. Les éperlans arc-en-ciel âgés d'un an favorisent une alimentation de zooplancton. Ils peuvent également inclure à l'occasion des insectes dans leur alimentation. D'autre part, le taux de consommation de zooplancton par l'éperlan arc-en-ciel a varié en fonction du développement. Au début du stade larvaire, ce poisson ingère près de 70 % de son propre poids corporel alors que ce pourcentage décroit entre 11 et 25 % pour le reste de l'été. En automne, la consommation atteint moins de 5 %. À sa deuxième saison de croissance, la consommation de l'éperlan arc-en-ciel est à son maximum au début de l'été avec des taux de presque 30 % par rapport à son poids corporel. À l'automne, ce pourcentage décline pour atteindre entre 0 et 5 %. La consommation importante en début de saison est nécessaire pour la prise de poids et la bonne croissance. La biomasse du zooplancton qui est à son maximum durant l'été et basse durant l'automne pourrait expliquer les patrons saisonniers de consommation observés. Ces résultats combinés à l'abondance de poissons dans le lac Saint-Jean permettront de quantifier l'impact de ces poissons sur le zooplancton en vue d'une meilleure gestion des stocks.

Les changements climatiques et une forte utilisation des habitats par l’Homme sont à l’origine de nombreux bouleversements environnementaux. Ces perturbations provoquent une perte de la biodiversité. Plusieurs travaux de recherches ont démontré un impact négatif de la perte de biodiversité sur le fonctionnement des écosystèmes et par conséquent, sur les services rendus à l’Homme par la biodiversité (c.-à-d. pêcherie, agriculture, dépollution de l’eau et air, capture de CO2, etc.). L’étude du fonctionnement des écosystèmes et l’importance de la diversité dans le maintien des processus écologiques revêtent d’une toute nouvelle importance. La zone benthique intertidale possède une diversité appréciable, est facile d’accès et les espèces vivantes y sont facilement manipulables. Selon les scénarios actuels d’Ouranos et du GIEC, des bouleversements majeurs d’origines anthropologiques vont y provoquer une disparition des glaces de mers, à une augmentation du niveau et de la température de l’eau ainsi qu’une forte érosion des berges dans les prochaines décennies. Tous ces changements vont avoir un impact sur la dynamique et la structure des communautés benthiques intertidales. Pourtant, le fonctionnement de ces communautés reste encore peu connu. Ce projet de recherche tente d’approfondir les relations entre le fonctionnement (stabilité, établissement et productivité) des communautés benthiques intertidales et les facteurs de richesse, d’abondance (équitabilité, dominance) et d’identité des espèces. Pour ce faire, trois études ont été élaborées. La première étude porte sur le rôle de la richesse et de l’équitabilité sur la stabilité temporelle des communautés benthiques : suivi sur 2 ans des communautés naturelles. La seconde étude porte sur l’impact d’un changement de richesse, d’équitabilité, d’identité et d’abondance des espèces fondatrices (tel que macroalgues et moules) sur l’établissement des communautés associées et leur productivité : expérience in situ avec manipulation des communautés. La troisième étude veut mettre en évidence le rôle de la richesse, de l’équitabilité, de l’identité et de l’abondance des macroalgues sur la productivité primaire (production primaire nette, respiration et production primaire brute), étude en mésocosme. Contrairement à ce qui était attendu, les résultats de ces études démontrent que la richesse et l’équitabilité n’ont qu’un impact positif limité sur la stabilité et l’établissement des communautés benthiques. Cet impact semble être masqué par les conditions environnementales. La richesse, l’équitabilité, l’identité et l’abondance des espèces fondatrices ne semblent pas affecter la diversité des espèces associées qui colonisent le milieu, toutefois leur structure est affectée par un changement de diversité. Toutefois, la richesse, l’identité et l’abondance ont un effet positif sur la productivité primaire. Généralement, l’équitabilité a un effet positif sur la productivité bien que parfois, l’effet soit négatif. L’équitabilité semble avoir un effet indirect sur la productivité en atténuant l’effet de richesse. Mon projet de recherche a permis d’avoir plus de précision sur le lien entre chacune des composantes de la biodiversité sur le fonctionnement des communautés benthiques. Climate change and stress on habitats induce by Human are responsible for environmental upheavals. Those disturbances cause a lost in biodiversity. Many studies demonstrate a negative impact of biodiversity lost on ecosystem functioning with consequences on the human services provided by the biodiversity (fisheries, agriculture, water filtration, CO2 capture etc). The study of community dynamics and the role of diversity in maintaining ecological processes are now more important than ever. Marine ecosystem, and more precisely benthic intertidal zone is perfect to study the le relationship between diversity and ecosystem functioning. This zone has level of diversity not negligible, easy to access and organisms are easy to manipulate. GIEC scenarios predict major changes in all ecosystems worldwide and the intertidal zone will not be at rest. Ice will tend to disappears, temperature and sea level will rise and salinity will be much more variable. Those changes will have a negative impact on benthic community structure and dynamic. Nonetheless, benthic ecosystem functioning remain unclear and further studies must be done to really understand the consequence of a change in biodiversity on the dynamic of those communities. This research aim to define the relationship between the functioning (stability, establishment and productivity) of the benthic intertidal community and diversity variables, the richness, evenness, identity and abundance of species. To do so, 3 studies were elaborated. The first study aim to define the role of richness and evenness on community stability, without manipulation, two years data set. The second one aim to understand the impact of a change in richness, evenness identity and abundance of habitat forming species on species establishment and community productivity. This study is in situ, with manipulation of the habitat forming species. The last study is in mesocosme and aim to define the role of richness, evenness identity and abundance of the main macroalgae present on the shores on community primary productivity. Contrary to the hypothesis, the results show that richness and evenness has a limiting positive impact on community stability and establishment. This impact seems to be damp by the abiotics factors on the field. Nonetheless, richness, abundance and identity all have a positive impact on primary productivity. At high evenness, richness effect is more present than at low evenness. This theses will help to better anticipates the consequences of a change in biodiversity on benthic ecosystem functioning and will give better tools to the politics managers to help them take better decision regarding the ecosystem management.

La mixotrophie (la combinaison de la phototrophie et de l’hétérotrophie chez un même organisme) est une stratégie nutritive très courante chez les protistes planctoniques et son importance pour le fonctionnement des écosystèmes aquatiques a récemment été mise en évidence. La plupart des modèles biogéochimiques décrivant les écosystèmes aquatiques sont cependant encore basés sur le paradigme traditionnel d’une séparation stricte entre les protistes phototrophes (le phytoplancton) et les protistes hétérotrophes (le nano/microzooplancton).Dans la première partie, la thèse de doctorat propose deux modèles mathématiques mécanistiques permettant de décrire l’ensemble des stratégies nutritives déployées par les protistes planctoniques et pouvant être implémentés dans les modèles biogéochimiques. Le premier modèle décrit la capacité des protistes phototrophes à utiliser le phosphore organique dissous (DOP) lorsqu’ils sont limités en phosphate. Le second modèle décrit la mixotrophie stricte (phototrophie + phagotrophie) et permet de représenter les grands types de mixotrophies observés dans les milieux aquatiques: la mixotrophie constitutive et la mixotrophie non-constitutive.Dans la seconde partie du travail, les modèles mécanistiques sont implémentés dans le modèle MIRO (Lancelot et al. 2005) décrivant l’écosystème planctonique de la Baie Sud de la Mer du Nord, avec l’objectif d’étudier le rôle de la mixotrophie sur le fonctionnement d’un écosystème côtier eutrophisé.Les résultats montrent que lorsque les apports en nutriments par les rivières (Seine et Escaut) sont élevés et enrichis en N par rapport au P, le DOP devient une source importante en P pour les protistes phototrophes (surtout pour les colonies de l’espèce nuisible Phaeocystis) ;ne pas en tenir compte mènerait à une sous-estimation de la production primaire (jusqu’à 32%), de la sédimentation (jusqu’à 20%), de la reminéralisation en ammonium (jusqu’à 13%), des émissions de diméthylsulfure (DMS ;jusqu’à 97%), et de la capacité de l’écosystème à absorber le CO2 atmosphérique (avec, certaines années, un changement du rôle de l’écosystème, passant de source à puits de CO2). La production secondaire n’est, par contre, pas affectée par le DOP. Les mixotrophies constitutive et non-constitutive ont en général peu d’impact sur la production primaire, la production secondaire, la sédimentation, et la reminéralisation dans l’écosystème étudié. L’effet de la mixotrophie non-constitutive dépend cependant de la lumière disponible ;les printemps/été caractérisés par des intensités lumineuses élevées, la mixotrophie non-constitutive induit une augmentation de tous les processus étudiés, en particulier la production secondaire (jusqu’à 23%). / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux, Talence, France / Le détroit de Nares constitue l'un des trois domaines de l'Archipel Arctique Canadien (AAC) reliant l'océan Arctique à la baie de Baffin. Le potentiel d'eau douce transporté via ces détroits atteint, au sud de la baie de Baffin, la mer du Labrador, et module ainsi les caractéristiques physico-chimiques des eaux de surface et de sub-surface de cette région, siège de la formation d'une des composantes majeures de la circulation profonde de l'Atlantique Nord. Le détroit de Nares, à la frontière est de l'AAC, est à 80% couvert de glace de mer pendant 11 mois de l'année sous l'influence (1) de l'apport de banquise multi-annuelle provenant de l'océan Arctique au Nord, et (2) de la formation in situ de glace de mer. L'histoire hydrologique de cette région est donc intimement liée à celle de ces deux composantes. Par ailleurs, ce couvert de glace régule le transport d'eaux dessalées et de glace vers la baie de Baffin, et entretient l'existence d'une zone ouverte : la polynie des eaux du nord. La polynie des eaux du nord est aujourd'hui essentiellement une polynie à chaleur latente. L'arc de glace du bassin de Kane empêche la dérive de glace de mer et d'icebergs vers la baie de Baffin, pendant que les vents puissants chassent la glace formée à la surface de la polynie. Deux processus physiques important ont alors lieu : (1) la formation de glace de mer en continue entretient la formation de saumures ou « brines », des eaux salées et froides, et (2) sous l'effet du vent, les masses d'eaux de surface sont déviées vers l'île d'Ellesmere. Un mouvement vertical est initié par la plongée des brines et le pompage d'Ekman résultant du déplacement des masses d'eaux par le vent induit la remontée d'eaux atlantiques chaudes, riches en nutriments. La remontée d'eaux atlantiques peut promouvoir la fonte de la glace en surface, ce qui confère à la polynie des eaux du nord son caractère sensible. La productivité primaire est alimentée en continu par des eaux pacifiques riches en silicates à travers le détroit de Nares et la remontée d'eaux atlantiques riches en nitrates dans la polynie, jusqu'à la rupture estivale du pont de glace qui entraine l'entrée de glace dans la polynie et l'arrêt de la remontée de nitrates. Depuis les années 1980, la durée moyenne du pont de glace est en diminution, engendrant une chute de la productivité. Le détroit de Nares a été affecté durant la période post-glaciaire par (1) un retrait rapide des calottes groenlandaise et innuitienne, initialement ancrées sur le fond et convergeant au niveau du détroit de Nares, (2) une baisse importante du niveau marin (rebond isostatique) et (3) des conditions variables de glace de mer pérenne ou saisonnière. Ces trois phénomènes, dont la chronologie et le synchronisme à l'échelle régionale sont très mal contraints, font du détroit de Nares un domaine unique d'examen de la réponse de la cryosphère marine et continentale à un changement climatique rapide tel celui amplifié aujourd'hui dans les régions arctiques sous le forçage du réchauffement global. Les archives sédimentaires prélevées lors des campagnes (2014 et 2016) du NGCC Amundsen dans le cadre de l'ANR GreenEdge et du programme canadien ArcticNet offrent une opportunité unique de reconstituer l'histoire post-glaciaire à tardi-holocène de la région. Notre travail repose sur une analyse multi-proxies de ces archives incluant pour chaque carotte une étude sédimentologique approfondie (granulométrie et lithofaciès), une analyse micropaléontologique (assemblages de foraminifères benthiques et planctoniques), des mesures géochimiques continues de la distribution d'éléments majeurs et mineurs (banc XRF core-scanner), des analyses minéralogiques (q-XRD) et des mesures biogéochimiques (biomarqueurs de la glace de mer IP25 et HBI III). Nos résultats nous ont amené à proposer un âge d'ouverture pour le détroit de Nares situé entre 9 et 8.3 mille ans avant l'actuel (cal. ka BP), avec un âge probable autour de 8.5-8.3 cal. ka BP. Les conditions environnementales suivant la connexion de l'océan Arctique avec la baie de Baffin ont été très variables en lien avec le maximum thermique holocène (induisant de très fortes températures atmosphériques) et l'apport important d'eau de fonte lié au recul des calottes. Dans un environnement plus glacio-distal, un minimum de couvert de glace de mer est observé entre 8.1 et 7.5 cal. ka BP. Avec la chute de températures atmosphériques, le couvert de glace de mer saisonnière est établi de façon régulière à partir de 7.5 cal. ka BP, mais ce n'est qu'à partir de 5.5 cal. ka BP que le pont de glace du bassin de Kane s'inscrit durablement au printemps et en été. La polynie est initiée à partir de 5.5 cal. ka BP, mais elle repose sur une chaleur essentiellement latente. Ce n'est qu'à partir de 4.5 cal. ka BP, lorsque les températures atmosphériques sont assez froides, que la formation de brines est assez importante pour engendrer le transport vertical d'eaux atlantiques. A partir de 3.7/3.0 cal. ka BP, le pont de glace nord est présent de façon quasi-pérenne, ce qui empêche l'entrée de glace de mer arctique épaisse dans le détroit de Nares et abouti à la fragilisation du pont de glace dans le bassin de Kane. Le détroit de Nares devient libre de glace de façon saisonnière et, du fait de l'absence de convection, les eaux de la région nord de la baie de Baffin deviennent stratifiées. Le rétablissement du pont de glace du bassin de Kane est limité à une courte période centrée autour de 500 ans avant l'actuel. / Nares Strait is one of three channels of the Canadian Arctic Archipelago (CAA) which connect the Arctic Ocean to Baffin Bay. The CAA throughflow is a major component of ocean circulation in western Baffin Bay. Nares Strait borders the CAA to the east, separating Ellesmere Island from Greenland, and is 80% covered in sea ice 11 months of the year. The heavy sea ice cover is constituted of (1) Arctic (multi-year) sea-ice having entered the strait by the north, and (2) locally formed first year sea ice, which consolidates the ice cover. The hydrological history of the area is intimately linked to the formation of land-fast sea ice in the strait, constituting ice arches. The seaice cover in Nares Strait regulates freshwater (liquid and solid) export towards Baffin Bay, and is integral to the formation of an area of open water in northernmost Baffin Bay: The North Water polynya. Nares Strait has been at the heart of major geomorphological changes over the past 10,000 years. Its deglacial and post-glacial history is marked by (1) rapid retreat of the Greenland and Innuitian ice-sheets which coalesced along Nares Strait during the Last Glacial Maximum, (2) post-glacial shoaling associated to isostatic rebound, and (3) variable multi-year and seasonal sea ice conditions. Little is known about the evolution of these three environmental components of the Nares Strait history, and they are poorly constrained in terms of chronology and synchronism with other regional changes. Nares Strait and its eventful Holocene history provide a unique case study of the response of the marine and continental cryosphere to rapid climate change, such as that affecting Arctic regions in modern times. The marine sediment archives that were retrieved during the ANR GreenEdge and ArcticNet (2014 and 2016) cruises of CCGS Amundsen offer a unique opportunity to investigate the Deglacial to Late Holocene history of Nares Strait. Our reconstructions are based on a multi-proxy study of these cores, including sedimentologic (grain size and lithofacies), geochemical (XRF), mineralogical (q-XRD), micropaleontological (planktic and benthic foraminiferal assemblages), and biogeochemical (sea ice biomarkers IP25 and HBI III). Our results include an age for the Deglacial opening of Nares Strait between 9.0 and 8.3 cal. ka BP, with the event likely occurring closer to the later bracket of the timeframe (i.e., ca 8.5-8.3 cal. ka BP). This event established the throughflow from the Arctic Ocean towards northernmost Baffin Bay. Environmental conditions were highly unstable in the Early Holocene, and marine primary productivity was limited. A period of minimum sea-ice cover occurred from ca 8.1 to 7.5 cal. ka BP, during the Holocene Thermal Maximum, when atmospheric temperatures were higher than today in Nares Strait. Sea-ice cover became more stably established as a seasonal feature around 7.5 cal. ka BP and primary productivity related to ice edge blooms increased. Eventually, the duration of the ice arches increased and they were present in spring and into the summer from 5.5 to 3.7 cal. ka BP, which allowed the inception of the North Water polynya. The North Water reached its maximal potential between 4.5 and 3.7 cal. ka BP, when warmer Atlantic-sourced water upwelled in the polynya, providing nutrients for primary productivity. The establishment of a near-perennial ice arch in northern Nares Strait prevented export of multi-year sea ice into Nares Strait and hindered the formation of the southern ice arch, ultimately resulting in a less productive polynya over the past ca 3.0 cal. ka BP.

In the last two decades, particular interest has been given to the cycle of dimethylsulfide (DMS), a climate active gas, and its precursors the dimethylsulfoniopropionate (DMSP) and the dimethylsulfoxide (DMSO). DMS is involved in the Earth’s radiation budget while the DMS(P,O) are produced by a wide variety of micro- and macroalgae, corals, bacteria, or angiosperms in response to diverse environmental stresses. Several functions have been suggested for these sulfur compounds such as antioxidants, cryoprotectants, overflow mechanisms, osmolytes, zooplankton deterrents or signalling compounds. This research aims at improving the knowledge about the antioxidant role of DMS(P,O) within three major phytoplankton groups: diatom (i.e. Skeletonema costatum), Prymnesiophyceae (i.e. Phaeocystis globosa) and dinoflagellate (i.e. Heterocapsa triquetra). The experimental results demonstrate that cellular DMS(P,O) have the ability to lower cellular reactive oxygen species concentrations produced during high-light and chemically-induced oxidative stresses; thus supporting the antioxidant function. However, the initial DMS(P,O) concentrations of each species are not informative of their ability to tolerate a further oxidative stress, and their concentrations do not increase in high-light grown cells. The DMS(P,O) may then act as antioxidants without being part of the antioxidant response of the cell. We recommend analysing more constituents of the antioxidant system (i.e. enzymes, carotenoids, redox buffer) along with DMS(P,O) by-products and DMSP-lyase activity to better understand the cellular function of DMSP. Field measurements in the North Sea, including the Belgian Coastal Zone (BCZ) and the Northern North Sea (NNS), bring additional information on the DMS(P,O) variations. While abiotic parameters (nutrients, temperature, and incident light) influence the Chlorophyll-a (Chl-a) concentrations in the BCZ, this impact is not reflected in the DMS(P,O) concentrations. The latter depend on the succession of low- and high-DMSP producing species (i.e. diatoms and Phaeocystis, respectively). In the NNS in August, no distinct pattern can be drawn for the DMS(P,O) evolution regarding the phytoplankton diversity or abiotic parameters. Investigated by correlations between DMS(P,O), photoprotective pigments and incident light, the antioxidant function is not observed for this short-term period of sampling in a temperate sea. Based on Chl-a linear regressions, DMS(P,O) concentrations are successfully estimated with two distinct relationships for diatoms and Prymnesiophyceae in the BCZ. However, this estimation lacks accuracy in the NNS due to the mixed phytoplankton community observed. Further work will provide a better understanding about the antioxidant function – especially on the field – and its association with the phytoplankton diversity in temperate regions such as the North Sea. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In marine environments, acoustic wave propagation is determined by sound-speed variations in the water column (related to salinity, temperature and pressure) , and seafloor properties in shallow environments. The refraction index variations and the boundary conditions guide the wave propagation so that an important amount of acoustic energy can propagate over long distances. Measurements of acoustic transmissions coupled with propagation models can be inverted to infer the water column properties (tomography) and the seafloor and subseafloor properties (geoacoustics). In this thesis a new method for shallow water inversion based on the sequential assimilation of acoustic measurements in Kalman filters is developed. Filtering algorithms for nonlinear systems, as the ensemble Kalman filter (EnKF), enable the integration of complex acoustic propagation models in the measurement model. The inverse problem is here reformulated into a state-space model to track sequentially the parameters (temperature, receiver positions, etc.) and their uncertainty by filtering regularly new acoustic data. Different applications are proposed to demonstrate the sequential acoustic filtering approach. First, the problem of characterizing horizontal inhomogeneities in the sound-speed field between an acoustic source and a vertical array of receivers is addressed. Starting from a range-averaged sound-speed profile, the filtering of complex multifrequency data enables the estimate and tracking of the range-dependence of the sound-speed field. The second application deals with the geoacoustic inversion problem based on a mobile source-receiver setup. The filtering approach is shown to provide more stable results than conventional inversion methods with a reduced computational burden. The last application is dedicated to the tracking of specific oceanic structures affecting the sound-speed field, here thermal fronts. An original parameterization scheme which is specific to the tracked feature is developed and enables to monitor the principal characteristics of the sound-speed field by filtering multifrequency acoustic data. This work shows that the sequential filtering approach of transmitted acoustic data can lead to environmental estimates on spatial and temporal scale of interest for regional or coastal oceanographic models and can supplement the dataset assimilated nowadays for forecasting purposes./Dans les environnements marins, la propagation des ondes acoustiques est directement conditionnée par les variations de vitesse de propagation dans l'eau (liée à la température, la salinité et la pression hydrostatique), ainsi que les propriétés du fond, lorsque le milieu est peu profond. La propagation de ces ondes, typiquement guidée par les variations d'indice de réfraction et les conditions aux limites, permet de transmettre une quantité d'énergie acoustique importante sur de longues distances. Associées à des modèles de propagation, des mesures de transmission acoustique peuvent être inversées afin de déterminer les propriétés de l'environnement sondé, que ce soit de la colonne d'eau (tomographie) ou du fond marin (géoacoustique). Dans cette thèse, une nouvelle méthode d'inversion en milieu peu profond, basée sur l'assimilation séquentielle de mesures acoustiques dans des filtres de Kalman, est développée. Les algorithmes de filtrage développés pour les systèmes non linéaires, tel que l'ensemble Kalman filter (EnKF), permettent d'intégrer des modèles de propagation acoustique complexes au sein du modèle de mesure. Le problème inverse est reformulé de façon séquentielle, en un modèle d'espace d'états, de sorte que l'évolution des paramètres (température, positions des récepteurs, etc.) et de leur incertitude est suivie au fur et à mesure de l'assimilation de nouvelles mesures. Différentes applications sont proposées pour démontrer les performances du filtrage séquentiel. Le premier problème abordé est celui de l'inversion et du suivi des inhomogénéités horizontales du champ de vitesse entre une source acoustique et une antenne verticale de récepteurs. A partir d'un profil de vitesse moyen sur la distance source-récepteurs, le filtrage de mesures complexes multi-fréquences permet d'estimer la dépendance horizontale du champ de vitesse et son évolution au cours du temps. La nature séquentielle de l'algorithme de filtrage motive la seconde application, dédiée à l'estimation des paramètres géoacoustiques d'un environnement à partir d'une configuration source-récepteur mobile. Les résultats démontrent que l'approche par filtrage permet d'obtenir des estimations géoacoustiques plus stables que celles obtenues par les méthodes d'inversion conventionnelles avec un coût de calcul réduit. La troisième et dernière application est dédiée au suivi de structures océaniques marquées, tels que les fronts thermiques. Une paramétrisation originale spécifique à la structure inversée est proposée et permet d'estimer et de suivre les caractéristiques principales du champ de température par filtrage de données acoustiques multi-fréquences. Ce travail montre que l'approche séquentielle de l'inversion des données acoustiques peut mener à des estimations environnementales sur des échelles spatiales et temporelles d'intérêt pour les modèles océanographiques côtiers et régionaux, de façon à compléter les données assimilées quotidiennement pour les prédictions.