Since the beginning of the industrial revolution, a large amount of greenhouse gases such as carbon dioxide (CO2) have been emitted into the atmosphere due to human activities. One of the main consequences of these emissions is a rapid increase in atmospheric CO2 concentration and a profound modification of the Earth's climate system. The ocean plays an important role in the Earth radiative balance since it acts as an important CO2 sink for the atmosphere. By currently absorbing about 25 % of the CO2 emitted by humans it considerably slows down climate change. Understanding the present-day spatial and temporal dynamics of the air-sea CO2 exchange and the different processes that govern this exchange is of critical importance to anticipate the evolution of the oceanic CO2 sink in the future.This thesis was realized in this context and focused on an improved quantification of the exchange of CO2 through the air-sea interface (FCO2) of the global ocean, embracing open ocean waters and coastal regions. The main objective was to fill knowledge gaps in our understanding of the processes that govern the spatial and temporal distribution of FCO2. This objective was mainly achieved through observational approaches and addressed three main aspects: a quantification of the different sources of FCO2 uncertainties at the global scale, an analysis of spatial distribution of the oceanic CO2 exchange with a strong focus on the coastal ocean and a first assessment of the coastal seasonal FCO2 dynamics and its underlying drivers. The latter relied on a data-model fusion approach allowing to decompose the FCO2 seasonality into its main physical and biogeochemical drivers. The quantification of the oceanic FCO2 from observations consists in calculating an air-sea partial pressure CO2 gradient (ΔpCO2) between the atmosphere and the sea surface. Global monthly continuous partial pressure of CO2 (pCO2) products can for example be derived from observational pCO2 databases and statistical interpolation methods. This ΔpCO2 is then multiplied by a gas exchange transfer rate coefficient (k), which depends on wind speed. However, the parametrization of k is still entailed with poorly quantified uncertainties. From a literature review of all k parameterizations available in the literature over the past 25 years, I first quantified the FCO2 uncertainties associated with k globally and regionally for the open ocean. I also quantified the uncertainties associated with the choice of a wind product over another. Our results show that the range of global FCO2, calculated with these k relationships, diverge by 12 % when using CCMP, ERA or NCEP1. Regional discrepancies in FCO2 are more pronounced than global. These global and regional differences significantly increase when using NCEP2 or other k formulations. To minimize uncertainties associated with the choice of wind product, it is possible to recalculate the parametrization of k globally for a given wind product and its spatio-temporal resolution, in order to match the last evaluation of the global k value. In a second step, we improved the quantification and analysis of the dominant patterns and drivers of the FCO2 spatial distribution for the coastal ocean worldwide. This analysis was performed globally (at 0.25° spatial resolution), using a regional segmentation of the coastal ocean, and latitudinally. I found that coastal regions at high latitudes act as a CO2 sink while tropical regions and along the equator tend to act as an atmospheric CO2 source. Globally integrated, I quantified that the coastal seas act currently as a CO2 sink with a value of -0.20 ± 0.02 Pg C yr-1. For the first time, I also compared the spatial patterns of coastal FCO2 to that of the adjacent open ocean, globally. With the exception of some regions such as those dominated by riverine inputs, I demonstrated that they present similar latitudinal distribution of their FCO2 density per unit of surface area, suggesting analogous responses to increasing atmospheric CO2. I also reevaluated the global ocean CO2 budget and estimated a global anthropogenic CO2 uptake ranging between -2.6 ± 0.4 Pg C yr-1 and -2.9 ± 0.5 Pg C yr-1 for the 1998-2015 period. In a third step, I contributed to the first continuous observational pCO2 data product merging the coastal and open ocean in a consistent manner. This study showed that difference between open ocean and coastal ocean estimates along the overlap area increases with latitude but remains close to 0 µatm globally. Stronger discrepancies, however, exist on the regional level resulting in differences that exceed 10 % of the climatological mean pCO2, particularly in regions constrained by fewer observations, paired with biogeochemical complexity, such as the Peruvian upwelling system and ice covered regions.In a fourth step, a temporal analysis of the FCO2 seasonality was performed for the coastal ocean based on an observational approach. I analyzed and quantified the FCO2 seasonal dynamics globally and for different latitudinal bands. Globally, coastal regions act as a CO2 sink with a more intense uptake occurring in summer (-21 Tg C month-1) because of the disproportionate influence of high latitude shelves in the Northern Hemisphere. I also estimated the contribution of different drivers (sea-ice coverage, wind speed, and ΔpCO2 change) to the FCO2 seasonal amplitude. This data-driven approach allowed me to conclude that the ΔpCO2 is the main driver of the FCO2 variability at the seasonal timescale. I then used a global oceanic biogeochemical model to decompose the seasonal coastal pCO2 variability further into its driving physical and biological processes. From a first qualitative assessment, I concluded that the thermal effect associated to sea surface temperature changes is the main effect governing the coastal seasonal pCO2 variability except at high latitudes where the non-thermal effect associated to changes in biology, circulation, fresh water and the air-sea CO2 exchange itself dominate. I also found that, overall, the thermal effect alone should lead to larger seasonal fluctuations, but its influence is partly offset by the non-thermal effect. Throughout this thesis, I also evaluated the extent to which the continuous observational pCO2 products derived from an artificial neuronal network approach and from the global ocean biogeochemical model MOM6-COBALT could reproduce the raw pCO2 fields extracted from global databases. Overall, I showed that at the regional scale, the two products are in relatively good agreement compared to observations. I also identified regions where discrepancies are the largest and where future observational data are needed in the future, as well as regions where agreement is the most satisfactory and, thus, most suitable for further process-based analyses. / Depuis le début de la révolution industrielle, une grande quantité de gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone (CO2) a été émise dans l'atmosphère en raison des activités humaines. L'une des principales conséquences de ces émissions est une augmentation rapide de la concentration en CO2 atmosphérique et une modification profonde du système climatique de la Terre. L'océan joue un rôle important dans l'équilibre radiatif de la Terre car il agit comme un important puits de CO2 pour l'atmosphère. En absorbant actuellement environ 25 % du CO2 émis par l'homme, il ralentit considérablement le changement climatique. Comprendre la dynamique spatiale et temporelle actuelle de l'échange de CO2 air-mer et les différents processus qui régissent cet échange est d'une importance cruciale pour anticiper l'évolution du puits océanique de CO2 à l'avenir.Cette thèse a été réalisée dans ce contexte et s'est concentrée sur une meilleure quantification de l'échange de CO2 à travers l'interface air-mer (FCO2) de l'océan global, considérant à la fois l’océan ouvert et les régions côtières. L'objectif principal était de combler les lacunes dans notre compréhension des processus qui régissent la distribution spatiale et temporelle du FCO2. Cet objectif a été principalement atteint grâce à des approches observationnelles et a abordé trois aspects principaux: une quantification des différentes sources d'incertitudes du FCO2 à l'échelle globale, une analyse de la distribution spatiale de l'échange de CO2 océanique avec un fort accent sur l'océan côtier et une première évaluation de la dynamique saisonnière du FCO2 côtier et de ses moteurs sous-jacents. Ce dernier s'est appuyé sur une approche de fusion de modèles et d’approches observationnelles permettant de décomposer la saisonnalité du FCO2 en ses principaux moteurs physiques et biogéochimiques.La quantification du FCO2 océanique à partir d’observations consiste à calculer un gradient de pression partielle air-mer de CO2 (ΔpCO2) entre l'atmosphère et la surface de la mer. Des produits globaux continus mensuels de la pression partielle de CO2 (pCO2) peuvent par exemple être dérivés à partir de bases de données observationnelles de pCO2 et de méthodes d'interpolation statistique. ΔpCO2 est ensuite multiplié par un coefficient de vitesse de transfert d'échange gazeux (k), qui dépend de la vitesse du vent. Cependant, la paramétrisation de k est sujette à de larges incertitudes et mal quantifiées. À partir d'une synthèse de la littérature de toutes les paramétrisations de k disponibles dans la littérature au cours des 25 dernières années, j'ai d'abord quantifié les incertitudes sur FCO2 associées à k à l'échelle globale et régionale pour l'océan ouvert. J'ai également quantifié les incertitudes associées au choix d'un produit éolien par rapport à un autre. Nos résultats montrent que la gamme du FCO2 global, calculée avec ces différentes paramétrisations de k, diverge de 12 % lors de l'utilisation de CCMP, ERA ou NCEP1. En raison des différences dans les pattern de vent régionaux, les différences régionales sur le FCO2 sont plus prononcés que globalement. Ces différences globales et régionales augmentent de manière significative lors de l'utilisation de NCEP2 ou d'autres formulations de k. Afin de réduire les incertitudes associées au choix du produit de vent, il est possible de recalculer la paramétrisation de k pour un produit de vent donné et à une résolution spatio temporelle.Dans un deuxième temps, nous avons amélioré la quantification et l'analyse des principaux pattern et des différents processus sur la distribution spatiale du FCO2 pour l’ensemble des régions côtières. Cette analyse a été réalisée à l'échelle globale (à une résolution spatiale de 0.25°), en utilisant une segmentation régionale de l'océan côtier, et latitudinalement. J'ai trouvé que les régions côtières aux hautes latitudes agissent comme un puits de CO2 tandis que les régions côtières tropicales et le long de l'équateur ont tendance à agir comme une source de CO2 atmosphérique. Globalement, j'ai quantifié que les régions côtières agissent actuellement en tant que puits de CO2 avec une valeur de -0.20 ± 0.02 Pg C an-1. Pour la première fois, j'ai également comparé la distribution spatiale du FCO2 côtier à celle de l'océan ouvert adjacent, à l'échelle globale. À l'exception de certaines régions telles que celles dominées par les apports fluviaux, j'ai démontré que les régions côtières et l’océan ouvert adjacent présentaient une distribution latitudinale similaire sur leur densité de FCO2 par unité de surface, suggérant des réponses analogues à l'augmentation du CO2 atmosphérique. J'ai également réévalué le budget mondial de CO2 de l'océan et estimé une absorption mondiale de CO2 anthropique comprise entre -2.6 ± 0.4 Pg C an-1 et -2.9 ± 0.5 Pg C an-1 pour la période 1998-2015. Dans un troisième temps, j'ai contribué à la création du premier produit continu de pCO2 observationnelles fusionnant le domaine côtier et l'océan ouvert de manière cohérente. Cette étude a montré que la différence entre les estimations provenant du produit de pCO2 de l’océan ouvert à celles dérivant du produit de pCO2 de l’océan côtier le long de leur zone de chevauchement augmente avec la latitude mais reste proche de 0 µatm globallement. Des divergences plus fortes existent cependant au niveau régional, entraînant des différences qui dépassent 10 % sur la moyenne climatologique de pCO2, en particulier dans les régions contraintes par moins d'observations, associées à une complexité biogéochimique, comme le système d'upwelling péruvien et les régions couvertes de glace.Dans une quatrième étape, une analyse temporelle de la saisonnalité du FCO2 a été réalisée pour l'océan côtier sur la base d'une approche observationnelle. J'ai analysé et quantifié la dynamique saisonnière du FCO2 à l'échelle globale et pour différentes bandes latitudinales. À l'échelle globale, les régions côtières agissent comme un puits de CO2 avec une absorption plus intense se produisant en été (-21 Tg C mois-1) en raison de l'influence disproportionnée des régions côtières des hautes latitudes dans l'hémisphère Nord. J'ai également estimé la contribution de différents processus (couverture de glace de mer, vitesse du vent et changement de ΔpCO2) à l'amplitude saisonnière du FCO2. Cette approche basée sur les données observationnelles m'a permis de conclure que ΔpCO2 est le principal moteur de la variabilité du FCO2 à l'échelle saisonnière. J'ai ensuite utilisé un modèle biogéochimique océanique global pour décomposer davantage la variabilité saisonnière du pCO2 côtier en ses processus physiques et biologiques. À partir d'une première évaluation qualitative, j'ai conclu que l'effet thermique associé aux changements de température de la surface de la mer est le principal effet régissant la variabilité côtière saisonnière du pCO2 sauf aux hautes latitudes où l'effet non thermique associé aux changements de biologie, de circulation, d'eau douce et de l’échange de CO2 air-mer domine. J'ai également constaté que, globalement, l'effet thermique à lui seul devrait entraîner des fluctuations saisonnières plus importantes, mais son influence est en partie compensée par l'effet non thermique.Tout au long de cette thèse, j'ai également évalué dans quelle mesure les produits continus de pCO2 observationnelles dérivés d'une approche de réseau de neurones artificiels et du modèle biogéochimique océanique global MOM6-COBALT pourraient reproduire les champs de pCO2 bruts extraits des bases de données globale. Dans l'ensemble, j'ai montré qu'à l'échelle régionale, les deux produits sont relativement en bon accord par rapport aux observations. J'ai également identifié les régions où les différences sont les plus importantes et où de futures données observationnelles sont nécessaires à l'avenir, ainsi que les régions où les deux produits présentent un accord le plus satisfaisant et, par conséquent, le plus approprié pour de futures analyses de compréhension des différents processus. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail de thèse porte sur l'amélioration du forçage atmosphérique utilisé pour réaliser des simulations numériques inter-annuelles globales de l'état physique de l'océan durant les 5 dernières décennies. Après une étude détaillant et comparant le comportement<br />de diverses paramétrisations utilisées pour estimer les flux de surface servant de conditions limites, le modèle de circulation générale de l'océan et des glaces de mer NEMO est utilisé sur sa configuration à 2° de résolution pour valider des jeux de données atmosphériques spécialement destinés au forçage des modèles haute résolution du projet DRAKKAR. Ces jeux de données combinent, sur une période allant de 1958 à 2004, des champs atmosphériques de surface corrigés issus de ERA-40, une recalibration des radiations satellitaires de L'ISCCP ainsi que des précipitations incorporant différents produits globaux. Divers diagnostics confirment que ces nouveaux forçages mènent à une meilleure simulation de certaines caractéristiques clefs de la circulation océanique globale.

La redécouverte en 2003 par Holbrook et al. que la colonne d'eau pouvait être imagée par la méthode de la sismique marine a débouché sur la mise en place du projet européen GO (Geophysical Oceanography). Ce projet a eu pour but d'améliorer notre compréhension de la structure à méso et sous-méso-échelle de l'océan en étudiant plus particulièrement le Golfe de Cadix où une structure thermohaline complexe est présente. Les travaux présentés dans ce travail de thèse s'inscrivent directement dans ce projet. En retraitant des données historiques de sismique marine et d'hydrologie, nous avons réhabilité le jeu de données conséquent qui existait sur cette zone. Nous avons ainsi démontré que ces données de sismique marine permettaient d'imager les structures océanographiques de la méso-échelle à la sous-mésoéchelle avec une résolution horizontale d'environ 10 m. Les données d'hydrologie dont la résolution verticale est inférieure au mètre nous permettent de calibrer les données de sismique marine en température et salinité. Afin de relier nos deux jeux de données, nous avons cherché à définir le signal sismique. Celui-ci est reconstruit en convoluant le coefficient de réflexion avec l'ondelette source du système d'acquisition sismique. Le principal facteur influençant le signal sismique est la température via le gradient de vitesse du son. Les données de sismique marine et d'hydrologie de la campagne GO acquises simultanément dans le Golfe de Cadix en Avril 2007 ont ensuite été analysées pour déterminer la nature physique et les caractéristiques géométriques des réflecteurs acoustiques dans la colonne d'eau. Les données sismiques montrent des réflecteurs intenses, proches de la surface, au-dessus des courants d'Eau Méditerranéenne (EM), au-dessus d'un Meddy, et dans une structure de sous-méso-échelle de l'EM qui sont liés à de forts contrastes thermohalins. L'analyse en ondelettes verticales appliquées aux données sismiques indique des réflecteurs de longueurs d'onde verticales (16-64 m) associées à une stratification thermohaline. En bordure du Meddy, des intrusions latérales d'eau moins salée sont révélées par des réflecteurs de 25-75 m d'épaisseur. Les données sismiques étudiées révèlent que les limites supérieures et inférieures des couches correspondent à l'existence de structures à fine-échelle. Les données basse fréquence de sismique marine permettent la détection systématique et la surveillance des tourbillons de mésoéchelle et de sous-méso-échelle qui ne sont identifiés qu'occasionnellement avec les sections d'hydrologie.

Ce travail de thèse a pour objectif de caractériser et quantifier les différences entre indices climatiques océaniques grande échelle simulés par une hiérarchie de neuf modèles numériques océaniques réalistes (cinq simulations libres et quatre réanalyses). Cette étude se focalise sur la région Atlantique Nord. Les indices climatiques suivants : transport méridien de volume (circulation méridienne d'overturning) et transport méridien de chaleur sont diagnostiqués dans les différents modèles. La période commune à huit des simulations s'étend sur neuf ans, l'étude de la variabilité de ces indices climatiques se focalise sur l'echelle interannuelle. L'influence de différents paramètres numériques : configuration et la résolution spatiales des modèles numérique libres, et l'influence de différents schémas d'assimilation de données séquentielle des réanalyses, sont évaluées au regard des observations et estimations disponibles de ces indices climatiques grande échelle. Il ressort de ce travail une importante diversité des solutions des modèles quant aux valeurs moyennes et aux variations de ces transports méridiens de volume et de chaleur. Les réanalyses océaniques étudiées ici, qui ont pourtant été contraintes vers un océan observé, peinent à converger vers des indices climatiques grande échelle cohérents, tant en moyenne qu'en variabilité interannuelle. Le manque de robustesse de ces réanalyses s'exprime par leur faible cohérence entre elles mais aussi au regard des estimations observationnelles disponibles, et illustre ainsi la difficulté de simuler des indices climatiques cohérents à grande échelle en assimilant avec des contraintes locales.

L'objectif de ce travail est d'estimer les apports d'une topographie dynamique moyenne (MDT) déduite des données gravimétriques GRACE, pour la reconstruction de la circulation océanique du Pacifique Tropical par assimilation de données.<br />Les récentes avancées de notre connaissance du géoïde nous ont conduit à étudier l'impact de l'utilisation d'un signal altimétrique absolu. Un modèle (OPA) de l'Océan Pacifique Tropical, où des observations in-situ et quasi-synoptiques sont disponibles (réseau TAO), et un filtre de Kalman en rang réduit (SEEK) ont été mis au point et utilisés dans différentes configurations. La première suppose une situation pré-GRACE et utilise une MDT artificielle. La deuxième utilise une MDT observée déduite du géoïde GRACE. Conjointement à l'altimétrie, les profils de température TAO sont assimilés.<br />Ce travail montre l'importance d'une bonne référence pour les résidus altimétriques. Le résultat le plus important concerne la capacité du système d'assimilation utilisant GRACE à mieux composer avec des données mixtes: satellites et in-situ. Ici, l'assimilation conjointe d'altimétrie et de données TAO est plus performante grâce à la meilleure compatibilité des données.<br />En outre, une analyse physique, qui considère l'apport de l'assimilation à l'amélioration de la représentation de la dynamique du Pacifique Tropical, a été conduite. L'originalité de ce travail est de montrer comment l'assimilation contribue à améliorer notre compréhension des mécanismes physiques en action dans ce bassin.<br />De manière intéressante et rétrospective, cette analyse révèle aussi une zone (8°N) où les données GRACE semblent avoir des faiblesses qu'il serait judicieux de corriger.

Cette thèse porte sur l'application du filtre SEEK (Singular Evolutive Extended Kalman filter), un système d'assimilation de données pour les modèles océaniques, au contrôle d'une configuration du Golfe de Gascogne. Cette configuration au 1/15°, emboîtée dans une configuration au 1/3° de l'Atlantique Nord à travers l'emploi de Conditions aux Frontières Ouvertes (en mer), est développée à l'aide du modèle HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model) à coordonnée verticale hybride. L'étude porte essentiellement sur la paramétrisation de l'erreur modèle dans le filtre SEEK, et plus généralement dans les filtres de Kalman de rangs réduits, pour le contrôle des modèles régionaux. Les paramétrisations classiques de ces systèmes d'assimilation, développés jusqu'à présent pour les modèles de bassin, sont inadaptées à la complexité de la dynamique régionale. On utilise des méthodes d'ensemble pour estimer de façon réaliste l'erreur modèle liée à la mauvaise détermination des forçages aux limites, forçages atmosphériques et CFO, dont l'influence est a priori très importante sur la dynamique régionale. La caractérisation des statistiques de l'erreur modèle est réalisée à l'aide de la méthode des représenteurs qui montre l'impact de l'assimilation de divers types d'observations pour le contrôle de l'état océanique. La propagation de l'erreur générée aux frontières ouvertes est faible. Les bons résultats donnés par l'emploi de l'erreur liée aux forçages atmosphériques, pour paramétrer le filtre SEEK dans des expériences d'assimilation de température de surface, que l'on compare à ceux donnés par une paramétrisation plus classique, montrent l'apport de cette étude sur l'erreur modèle.

Ces travaux de thèse s'intéressent à la variabilité océanique intrinsèque générée spontanément sous forçage atmosphérique saisonnier dans des simulations océaniques à haute-résolution (1/4 de degré et 1/12 de degré ), en présence de tourbillons de méso-échelle (environ 100 km). L'empreinte de la variabilité intrinsèque sur le niveau de la mer (SLA) et sur la température de surface (SST) est caractérisée dans plusieurs gammes d'échelles spatio-temporelles par des méthodes de filtrage. En particulier, il est montré que la variabilité petite-échelle inter-annuelle à décennale de SLA observée par les satellites altimétriques, a un caractère stochastique et est majoritairement intrinsèque. Aux échelles de temps multi-décennales, la variabilité intrinsèque de SLA dans les régions océaniques turbulentes est d'amplitude comparable à la variabilité interne simulée dans les modèles climatiques couplés (dénués de turbulence océanique), et pourrait constituer une source additionnelle d'incertitudes dans la détection de l'élévation régionale du niveau de la mer d'origine anthropique. Une analyse spectrale montre enfin que l'advection non-linéaire de vorticité relative transfère spontanément de l'énergie cinétique d'ondes frontales hautes-fréquences vers des tourbillons de méso-échelle plus lents, générant in fine de la variabilité intrinsèque basse-fréquence. Les diagnostiques ont été réalisés à l'aide d'outils développés pour traiter de façon optimale les données océaniques haute-résolution. Ces travaux témoignent plus généralement du caractère chaotique de l'océan turbulent, dont l'interaction avec l'atmosphère est encore mal comprise. / This work focuses on the intrinsic oceanic variability spontaneously generated under seasonal atmospheric forcing in high-resolution oceanic simulations (1/4 ? and 1/12 ? ) including mesoscale eddies (~ 100 km). The imprint of intrinsic variability on sea-level (SLA) and sea surface temperature (SST) is characterized in various spatio-temporal ranges using filtering methods. In particular, the small-scale interannual-to-decadal SLA variability observed by satellite altimetry, is stochastic and mostly intrinsic. At multi-decadal timescales, SLA intrinsic variability is comparable to the internal climate variability simulated in climate coupled models (devoid of oceanic turbulence), and may yield additional uncertainties in the detection of human-induced regional sea-level change. A spectral analysis eventually shows that non-linear advection of relative vorticity spontaneously transfers kinetic energy from high-frequency frontal waves to slower mesoscale eddies, ultimately generating low-frequency intrinsic variability. The analyses have been performed using tools developed for optimal processing of high-resolution oceanic dataset. This work generally provides evidence of the chaotic behavior of the turbulent ocean, whose interaction with the atmosphere is still poorly-known.

Le climat de la Terre dépend en grande partie des échanges énergétiques entre les masses d’eau chaudes et froides de nos océans. Afin de prédire et de comprendre les variations de notre climat, les modèles numériques globaux de l’océan doivent pouvoir déterminer quelle fraction d'énergie est convertie en mélange irréversible dans un écoulement turbulent et stablement stratifié. Il apparaît que cette fraction est sensible aux paramètres de l’écoulement, ce qui a récemment conduit les océanographes à remettre en question la paramétrisation d'Osborn pour le coefficient de diffusion turbulente kz, qui utilise une efficacité de mélange constante et fixée à ŋ=0,17. Ceci nous a poussé à réaliser au laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA) des mesures conjointes de ŋ et kz, afin de mieux comprendre leur inter-dépendance. Cette étude est avant tout expérimentale et se base sur plusieurs dispositifs permettant de quantifier le mélange dans différents types d'écoulement. Trois de ses expériences ont été réalisées au LMFA : une expérience de lock-exchange dans laquelle le mélange est issu du cisaillement à l'interface de deux courants de gravité se déplaçant en sens opposés, une expérience de grille tractée dans un fluide stratifié et une expérience d’injection de stratification dans la grille d’un canal hydraulique. Ce travail a été complété, d'une part par une collaboration sur la plateforme Coriolis du LEGI à Grenoble, permettant d’atteindre de plus grands nombres de Reynolds ; et d'autre part par une campagne de mesure in situ dans le fjord du Saguenay au Canada en collaboration avec l'ISMER, visant à estimer le mélange turbulent conduisant au renouvellement des eaux profondes du fjord, à partir de l'analyse de transects successifs de densité. Dans ces différentes configurations, l'évolution temporelle des profils verticaux de densité ont permis d'analyser la dépendance du coefficient de diffusion turbulente et de l'efficacité de mélange avec les nombres de Reynolds et de Froude. Nos résultats ont permis de quantifier la décroissance de l'efficacité de mélange avec l'augmentation du nombre de Froude dans un écoulement turbulent, ainsi que la sensibilité du coefficient de diffusion turbulente aux nombres de Froude et de Reynolds de flottabilité. L'utilisation de trois dispositifs expérimentaux différents permet de montrer qu'au-delà de ces lois dites universelles, la variabilité propre à chaque géométrie influence fortement les valeurs de l'efficacité de mélange. Ceci est particulièrement mis en lumière dans la configuration de lock-exchange, pour laquelle la valeur limite de ŋ=0.25 prédite par la physique statistique n'est atteinte que dans une configuration fortement tri-dimensionnelle, jusqu'alors peu utilisée dans la littérature. Enfin, toutes les méthodes d'analyse développées pour les expériences de laboratoire ont pu être utilisées pour l'analyse des données in situ, permettant de clore ce travail de thèse sur une étude environnementale. / Our climate partly depends on energy exchange between warm and cold water masses in the ocean's interior. In order to understand and forecast the climate variations, numerical models of the ocean must estimate the amount of energy converted into irreversible mixing in turbulent stably stratified flows. It seems that this quantity depends on the flow parameters. This assertion challenges the famous Osborn model for turbulent diffusivity kz which uses a fixed mixing efficiency of ŋ=0.17. This motivated us to measure separately kz and ŋ in order to obtain a better understanding of their inter-dependencies. The present work is an experimental study based on set-ups which enable to quantify the mixing in different types of flow. Three of those experiments are held in our lab (LMFA) and consist respectively in a lock-exchange experiment where mixing is generated by the shear at the interface of two opposite gravity currents, a stratified towed grid experiment, and a hydraulic channel experiment where the stratification is injected directly by the grid. This study has been complemented with two international collaborations. The first one, on the Coriolis platform (LEGI) consisted in a stratified towed grid experiment in a rotating tank allowing to broaden our parameter spectrum. The second one is a series of in situ measurements led in collaboration with ISMER in the Saguenay fjord (Canada) aiming at measuring density transects over time in order to quantify the turbulent mixing that participates in the renewal of the fjord's deep water. In all of those configurations, dependencies of mixing efficiency and turbulent diffusivity along with the Froude and the Reynolds numbers are extracted from the time evolution of density profiles. In our results, we were able to quantify the decay of the mixing efficiency with the increase of the Froude number. We also highlighted the sensitivity of turbulent diffusivity on the buoyancy Reynolds number. We used three different experimental setups to show that beyond the so called universal turbulence laws, the flow geometry has a huge impact on the mixing efficiency values. This is especially true in the lock-exchange configuration where the asymptotic value of ŋ=0.25, predicted by statistical physics, can only be reached in a set-up which allows 3D flows. Such investigations are still scarce in the literature. Finally, all the data analysis methods developed for the lab experiments were of great help for the analysis of in situ data and thereby enabled us to consider a real-life environnemental flow.

Marine sediments are a key component of the global carbon cycle and climate system. They host one of the largest carbon reservoirs on Earth, provide the only long-term sink for atmospheric CO2, recycle nutrients and represent the most important climate archive. Early diagenetic pro- cesses in marine sediments are thus central to our understanding of past, present and future biogeochemical cycling and climate. Because all early diagenetic processes can be directly or indirectly linked back to the degradation of organic matter (OM), advancing this understand- ing requires disentangling the different factors that control the fate of OM (sedimentation, degradation and burial) on different spatial and temporal scales. In general, the heterotrophic degradation of OM in marine sediments is controlled by the quantity and, in particular, by the ap- parent reactivity of OM that settles onto marine sediments. While the potential ((micro)biological, chemical and physical) controls on OM reactivity are increasingly well understood, their relative significance remains difficult to quantify. Traditionally, integrated data-model approaches are used to quantify apparent OM reactivity (i.e. OM degradation rate constants) at well-studied drill-sites. These approaches rely on Reaction-Transport Models (RTMs) that typically account for transport (advection, molecular diffusion, bioturbation, and bioirrigation) and reaction (pro- duction, consumption, equilibrium) processes, but vary in complexity. Apparent OM reactivity (i.e. the OM degradation rate constant) is generally considered as a free parameter that is used to fit observed depth-profiles, reaction rates or benthic-pelagic exchange fluxes. Currently, no quantitative framework exists to predict apparent OM reactivity in areas where comprehensive benthic data sets are not available.To evaluate the impact of this knowledge gap, the sensitivity of benthic biogeochemical reaction rates, as well as benthic-pelagic exchange fluxes to variations in apparent OM reactivity (i.e. reactive continuum model parameters a and ν) is explored by means of a complex, numerical diagenetic model for shelf, slope and deep sea depositional environments. Model results show that apparent OM reactivity exerts a dominant control on the magnitude of biogeochemical reaction rates and benthic-pelagic exchange fluxes across different environments. The lack of a general framework to quantify OM reactivity thus complicates the parametrization of regional and global scale diagenetic models and, thus, compromises our ability to quantify global benthic-pelagic coupling in general and OM degradation dynamics in particular.To make a first step towards an improved systematic and quantitative knowledge of OM reac- tivity, apparent OM reactivity (i.e. reactive continuum model parameters a and ν) is quantified by inverse modelling of organic carbon, sulfate (and methane) sediment profiles, as well as the location of the sulfate-methane transition zone using a complex, numerical diagenetic model for 14 individual sites across different depositional environments. Model results highlight again the dominant control of OM reactivity on biogeochemical reaction rates and benthic exchange fluxes. In addition, results show that, inversely determined ν-values fall within a narrow range (0.1 < ν < 0.2). In contrast, determined a-values span ten orders of magnitude (1 · 10−3 < a < 1·107) and are, thus, the main driver of the global variability in OM reactivity. Exploring these trends in their environmental context reveals that apparent OM reactivity is determined by a dynamic set of environmental controls rather than traditionally proposed single environmental controls (e.g. water depth, sedimentation rate, OM fluxes). However, the high computational demand associated with such a multi-species inverse model approach, as well as the limited availability of comprehensive pore water data, limits the number of apparent OM reactivity estimates. Therefore, while providing important primers for a quantification of OM reactivity on the global scale, inverse model results fall short of providing a predictive framework.To overcome the computational limitations and expand the inverse modelling of apparent OM reactivity to the global scale, the analytical model OMEN-SED is extended by integrating a nG- approximation of the reactive continuum model that is fully consistent with the general structure of OMEN-SED. The new version OMEN-SED-RCM thus provides the computational efficiency required for the inverse determination of apparent OM reactivity (i.e. reactive continuum model parameters a and ν) on the global scale. The abilities of the new model OMEN-SED-RCM in capturing observed local, as well as global patterns of diagenetic dynamics are rigorously tested by model-data, as well as model-model comparison.OMEN-SED-RCM is then used to inversely determine apparent OM reactivity by inverse modelling of 394 individual dissolved oxygen utilisation (DOU) rate measurements. DOU is commonly used as a proxy for OM reactivity, it is more widely available than comprehensive porewater data sets and global/regional benthic maps of dissolved oxygen utilisation rates (DOU) have been derived based on the growing DOU data set. Sensitivity test show that, while inverse modelling of DOU rates fails to provide a robust estimate of RCM parameter ν, it is a good indicator for RCM parameter a. Based on previous findings, parameter ν was thus assumed to be globally constant. Inversely determined a-values vary over order of magnitudes from a = 0.6 years in the South Polar region to a = 5.6 · 106 in the oligotrophic, central South Pacific. Despite a high intra- as well as interregional heterogeneity in apparent benthic OM reactivity, a number of clear regional patterns that broadly agree with previous observations emerge. High apparent OM reactivities are generally observed in regions dominated by marine OM sources and characterized by efficient sinking of OM and a limited degradation during sinking. In contrast, the lowest apparent OM reactivities are observed for regions characterized by low marine primary production rates, in combination with a great distance to the continental shelf and slope, as well as deep water columns. Yet, results also highlight the importance of lateral transport processes for apparent OM reactivity. In particular, deep sea sediments in the vicinity of dynamic continental margin environments or under the influence of strong ocean currents can receive comparably reactive OM inputs from more productive environments and, thus, reveal OM reactivities that are higher than traditionally expected. Finally, based on the observed strong link between apparent OM reactivity (i.e. RCM parameters a) and DOU rate, a transfer function that predicts the order of magnitude of RCM parameter a as a function of DOU is used to derive, to our knowledge, the first global map of apparent OM reactivity.Finally, we use the new global map of apparent OM reactivity to quantify biogeochemical dynamics and benthic-pelagic coupling across 22 benthic provinces that cover the entire global ocean. To this end, the numerical diagenetic model BRNS model is set-up for each province and forced with regionally averaged boundary conditions derived from global data sets, as well as apparent OM reactivities informed by the global OM reactivity map. The 22 regional model set-ups were then used to quantify biogeochemical process rates, as well as benthic carbon and nutrient fluxes in each province and on the global scale. Model results of regional and global fluxes and rates fall well within the range of observed values and also agree with general globally observed patterns. Results also highlight the role of the deeper ocean for benthic-pelagic cycling and indicate towards a large regional variability in benthic cycling at great depth. This is a first step towards a more refined global estimate of benthic biogeochemical cycling that accounts for the global heterogeneity of the seafloor environment. This aspect is critical to improve our understanding of benthic feedbacks on benthic-pelagic coupling and on the carbon-climate system, which can then be incorporated in benthic processes in Earth System Models. / Les sédiments marins sont un élément clé du cycle mondial du carbone et du système climatique. Ils abritent l’un des plus grands réservoirs de carbone sur Terre, fournissent le seul puits à long terme pour le CO2 atmosphérique, recyclent les nutriments et constituent les archives climatiques les plus importantes. Les processus de la diagénèse précoce dans les sédiments marins sont donc au cœur de notre compréhension des cycles et du climat biogéochimiques passés, présents et futurs. Étant donné que tous les processus diagénétiques précoces peuvent être directement ou indirectement liés à la dégradation de la matière organique (MO), faire progresser cette compréhension nécessite de démêler les différents facteurs qui contrôlent le devenir de la MO (sédimentation, dégradation et enfouissement) à différentes échelles spatiales et temporelles. En général, la dégradation hétérotrophique de la MO dans les sédiments marins est contrôlée par la quantité et, en particulier, la réactivité apparente de la MO qui se dépose sur les sédiments marins. Bien que les contrôles potentiels ((micro) biologiques, chimiques et physiques) de la réactivité de la MO soient de mieux en mieux compris, leur importance relative reste difficile à quantifier. Traditionnellement, des approches de modèle de données intégrées sont utilisées pour quantifier la réactivité apparente de la MO (c’est-à-dire les constantes de vitesse de dégradation de la MO) sur des sites de forage bien étudiés. Ces approches reposent sur des modèles de réaction-transport (RTM) qui tiennent généralement compte des processus de transport (advection, diffusion moléculaire, bioturbation et bio-irrigation) et de réaction (production, consommation, équilibre), mais leur complexité varie. La réactivité apparente de la MO est généralement considérée comme un paramètre libre qui est utilisé pour ajuster les profils de profondeur, les taux de réaction ou les flux d’échange benthique-pélagique observés. À l’heure actuelle, aucun cadre quantitatif n’existe pour prédire la réactivité apparente de la MO dans les zones où aucun ensemble complet de données benthiques n’est disponible.Pour évaluer l’impact de ce manque de connaissance, nous avons exploré la sensibilité des taux de réaction biogéochimiques benthiques, ainsi que des flux d’échange benthique-pélagique aux variations de la réactivité apparente de la MO (c.-à-d. les paramètres du modèle de con- tinuum réactif a et ν) au moyen d’un modèle diagénétique numérique complexe appliqué aux zones de dépôts sur les plateaux, les talus et en haute mer. Les résultats du modèle montrent que la réactivité apparente de la MO exerce un contrôle dominant sur l’ampleur des taux de réaction biogéochimiques et des flux d’échange benthique-pélagique dans différents environ- nements. L’absence d’un cadre général pour quantifier la réactivité de la MO complique donc la paramétrisation des modèles diagénétiques à l’échelle régionale et mondiale et, ainsi, compromet notre capacité à quantifier le couplage benthique-pélagique global en général et la dynamique de dégradation de la MO en particulier.Pour tendre à meilleure connaissance systématique et quantitative de la réactivité de la MO, la réactivité apparente OM (c.-à-d. les paramètres du modèle de continuum réactif a et ν) est quantifiée par modélisation inverse des profils de sédiments organiques de carbone, de sulfate (et de méthane), ainsi que localisation de la zone de transition sulfate-méthane à l’aide d’un modèle diagénétique numérique complexe pour 14 sites individuels à travers différents environnements de dépôt. Les résultats du modèle mettent à nouveau en évidence le contrôle dominant de la réactivité de l’OM sur les taux de réaction biogéochimiques et les flux d’échanges benthiques. De plus, les résultats montrent que les valeurs déterminées inversement déterminées se situent dans une plage étroite (0,1 <ν<0,2). En revanche, les valeurs déterminées s’étendent sur dix ordres de grandeur (1 ·10−3 <ν< 1·107) et sont donc le principal moteur de la variabilité globale de la réactivité OM. L’exploration de ces tendances dans leur contexte environnemental révèle que la réactivité apparente de l’OM est déterminée par un ensemble dynamique de contrôles environnementaux plutôt que par des contrôles environnementaux uniques traditionnellement proposés (par exemple, la profondeur de l’eau, le taux de sédimentation, les flux OM). Cependant, la forte demande de calcul associée à une telle approche de modèle inverse multi-espèces, ainsi que la disponibilité limitée de données complètes sur l’eau interstitielle, limitent le nombre d’estimations apparentes de la réactivité OM. Par conséquent, tout en fournissant des amorces importantes pour une quantification de la réactivité de l’OM à l’échelle mondiale, les résultats du modèle inverse sont loin de fournir un cadre prédictif.Pour surmonter les limites de calcul et étendre la modélisation inverse de la réactivité apparente de l’OM à l’échelle mondiale, le modèle analytique OMEN-SED est étendu en intégrant une approximation nG du modèle de continuum réactif qui est pleinement cohérente avec la structure générale d’OMEN-SED. La nouvelle version OMEN-SED-RCM fournit ainsi l’efficacité de calcul requise pour la détermination inverse de la réactivité apparente de l’OM (c’est-à-dire les paramètres du modèle de continuum réactif a et ν) à l’échelle mondiale. Les capacités du nouveau modèle OMEN-SED-RCM à capturer les modèles locaux et globaux de dynamique diagénétique observés sont rigoureusement testés par les données du modèle, ainsi que la comparaison modèle- modèle.OMEN-SED-RCM est ensuite utilisé pour déterminer inversement la réactivité apparente de l’OM par modélisation inverse de 394 mesures individuelles du taux d’utilisation de l’oxygène dissous (DOU). Le DOU est couramment utilisé comme indicateur de la réactivité de l’OM, il est plus largement disponible que les ensembles de données exhaustifs sur l’eau interstitielle et les cartes benthiques mondiales/régionales des taux d’utilisation de l’oxygène dissous (DOU) ont été dérivées sur la base de l’ensemble de données DOU croissant. Le test de sensibilité montre que, bien que la modélisation inverse des taux de DOU ne fournisse pas une estimation robuste du paramètre RCM ν, c’est un bon indicateur pour le paramètre RCM a. Sur la base des résultats précédents, le paramètre ν a donc été supposé être globalement constant. Les valeurs a déterminées à l’inverse varient selon l’ordre de grandeur, de a = 0,6 an dans la région polaire sud à a = 5, 6 · 106 dans le Pacifique sud oligotrophique central. Malgré une forte hétérogénéité intra et interrégionale dans la réactivité apparente de la MO benthique, un certain nombre de schémas régionaux clairs qui correspondent largement aux observations précédentes émergent. Des réactivités apparentes élevées de l’OM sont généralement observées dans les régions dominées par des sources marines de MO et caractérisées par un naufrage efficace de l’OM et une dégradation limitée pendant le naufrage. En revanche, les réactivités MO apparentes les plus faibles sont observées pour les régions caractérisées par de faibles taux de production primaire marine, en combinaison avec une grande distance du plateau continental et de la pente, ainsi que des colonnes d’eau profonde. Pourtant, les résultats mettent également en évidence l’importance des processus de transport latéral pour la réactivité apparente de l’OM.En particulier, les sédiments des mers profondes au voisinage d’environnements de marge continentale dynamiques ou sous l’influence de forts courants océaniques peuvent recevoir des apports OM de réactivité comparable provenant d’environnements plus productifs et, ainsi, révéler des réactivités OM plus élevées que ce qui était traditionnellement prévu. Enfin, sur la base du lien fort observé entre la réactivité apparente de l’OM (c’est-à-dire le paramètre RCM a) et le taux DOU, une fonction de transfert qui prédit l’ordre de grandeur du paramètre RCM a en fonction de DOU est utilisée pour dériver, pour nos connaissances, la première carte mondiale de la réactivité apparente de l’OM. Les résultats du modèle des flux et des taux régionaux et mondiaux se situent bien dans la gamme des valeurs observées et également d’accord avec les tendances générales observées au niveau mondial. Les résultats mettent également en évidence le rôle de l’océan profond pour le cycle benthique-pélagique et indiquent une grande variabilité régionale du cycle benthique à grande profondeur. Il s’agit d’une première étape vers une estimation mondiale plus précise du cycle biogéochimique benthique qui tient compte de l’hétérogénéité mondiale du milieu marin. Cet aspect est essentiel pour améliorer notre compréhension des rétroactions benthiques sur le couplage benthique-pélagique et sur le système carbone-climat, qui peuvent ensuite être incorporées aux processus benthiques dans les modèles du système terrestre. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished