Cette thèse ne contient pas de résumé.

L'analyse palynologique de 47 échantillons de sédiment de surface provenant de la marge mexicaine (15°95 N à 23°11 N) a été réalisée afin de caractériser la relation existant entre les kystes de dinoflagellés (dinokystes) et les paramètres environnementaux du milieu (température, salinité, productivité primaire, distance par rapport à la côte). Les observations permettent de diviser la zone d'étude en 4 régions caractérisées par des contextes hydrographiques distincts: la baie de La Paz, la marge Ouest mexicaine, le Nord du Golfe de Tehuantepec et le Sud du Golfe de Tehuantepec. Les taxons hétérotrophes dominent l'ensemble de ces assemblages à l'exception de ceux provenant du Sud du Golfe de Tehuantepec. Les concentrations totales de dinokystes suivent un gradient latitudinal décroissant avec des valeurs maximales dans la partie Nord de la zone d'étude. Les traitements statistiques ont permis de démontrer que la distance par rapport à la côte, ainsi que les valeurs de productivité primaire sont les principaux paramètres déterminant la distribution des kystes de dinoflagellés. Les zones d'upwelling des baies de La Paz et de Tehuantepec présentent plusieurs similarités et leurs assemblages sont dominés par des taxons hétérotrophes tels Brigantedinium spp., Echinidinium spp, Polykrikos kofoidii et Selenopemphix quanta. Certaines espèces de dinokystes qui peuvent être à l'origine de marées rouges ont été observées à plusieurs sites. Lingulodinium machaerophorum est présent sur la marge Ouest mexicaine et dans le Nord du Golfe de Tehuantepec, alors que les concentrations de Polysphaeridium zoharyi sont plus fortes dans la zone d'upwelling du Golfe de Tehuantepec. La distribution des espèces liées aux marées rouges semble être influencée par le niveau de productivité primaire, ainsi que par la richesse en nutriments des eaux de surface. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Mexique, Dinokystes, Marées rouges, Paramètres environnementaux, Productivité primaire.

Dans les régions nordiques, les changements climatiques sur les milieux terrestres auront des conséquences encore peu connues sur les écosystèmes aquatiques. La fonte du pergélisol et le changement de la composition végétale auront pour effets de libérer des concentrations élevées de matière organique allochtone vers les écosystèmes aquatiques. Cette matière organique dissoute colorée (CDOM) joue un rôle majeur dans l'atténuation de l'éclairement subaquatique. Cette étude s'intéresse aux effets optiques de la qualité et de la quantité du CDOM en système estuarien nordique. Le CDOM des systèmes d'estuaires de la Grande Rivière de la Baleine et du fleuve Mackenzie a été caractérisé par absorption et par fluorescence synchrone. Ces analyses ont révélé des différences fondamentales entre ces deux systèmes en terme de qualité et de quantité de CDOM. Cependant, une signature de fluorescence particulière a été mise en évidence pour le CDOM nordique, celle-ci étant plus constante que les propriétés d'absorption du CDOM. L'importance optique du CDOM dans l'atténuation de la radiation solaire a été observée dans le système estuarien du fleuve Mackenzie, rivière reconnue pour l'influence des particules sur l'éclairement subaquatique. Les stratégies pigmentaires, la composition du phytoplancton et la production primaire ont également été mesurés. Le CDOM et la matière particulaire contrôlaient l'éclairement dans le visible (400-700 nm), mais seule le CDOM affectait la radiation ultraviolette (<400 nm). Contrairement à la matière particulaire, l'effet optique du CDOM fluvial était mesurable même au-delà de l'épanchement du fleuve Mackenzie, sur le plateau de la Mer de Beaufort. L'impact d'un accroissement de la concentration de CDOM allochtone sur la production primaire a été mesuré dans le système d'estuaire de la Grande Rivière de la Baleine. Les analyses par modélisation ont montré que les modifications du régime spectral affectent la quantité d'éclairement disponible pour la photosynthèse, la profondeur de la zone euphotique, ainsi que le couplage spectral du phytoplancton. En utilisant l'approche expérimentale, les paramètres photosynthétiques ont été mesurés sous un régime spectral modifié par une concentration accrue de CDOM allochtone. Ceci a permis de démontrer que de hautes concentrations de CDOM contribuent à une réduction significative de la production primaire dans la colonne d'eau.

De récentes études ont démontré que plus de 1300 km² du fond du chenal laurentien sont baignés par des eaux dont les concentrations d'oxygène dissous sont en deçà de 62.5 µM ou 2 mg/l, correspondant au seuil qui définit l'hypoxie. Une des causes possibles du développement de l'hypoxie serait l'eutrophisation des eaux de surface liée à l'augmentation de l'activité agricole et industrielle dans les Basses-Terres du Saint-Laurent. Les apports accrus en nitrates rendraient compte d'une productivité primaire et d'un flux de carbone organique croissant. La dégradation de cette matière organique exportée dans les eaux profondes pourrait contribuer à l'appauvrissement progressif de celles-ci en O₂ dissous. Dans ce contexte, nous avons analysé les sédiments de deux carottes récoltées le long du chenal laurentien entre Tadoussac et Les Méchins afin de retracer les variations de productivité depuis le dernier siècle et ainsi, de vérifier si ceux-ci révèlent des indices d'une eutrophisation. Les résultats obtenus (carotte boîte AH00-2220; 48°38,33'N, 68°37,82'W; 324m et CR02-23; 48°42.008'N/68°38.894'W; 345m) révèlent une augmentation récente (après 1960 AD) du δ¹³ Corg que nous interprétons comme une augmentation des apports de matière organique marine. De la même façon et sur le même intervalle de temps, la concentration des kystes de dinoflagellés augmente, tout comme leurs flux, ce qui pourrait refléter un accroissement de la productivité primaire. Nous notons aussi une tendance semblable dans la concentration et du flux de réseaux organiques de foraminifères qui reflète probablement un accroissement de la productivité benthique liée à l'augmentation du flux de matière organique aux sédiments. Les concentrations et les flux de tests de foraminifères benthiques sont caractérisés par la même tendance d'augmentation récente. Nous notons aussi l'apparition et l'augmentation progressive de la présence des taxons Brizalina subaneriensis et Bulimina exilis entre les années 1960 et 1970. Ces taxons se singularisent par leur forte tolérance aux faibles concentrations d'oxygène et aux flux de carbone élevés. Les résultats obtenus dans cette étude appuient l'hypothèse d'une augmentation des flux sédimentaires de matière organique marine associés à une augmentation de la productivité primaire dans cette partie de l'estuaire du St-Laurent. Cette augmentation de productivité pourrait bien être un facteur important dans la diminution récente des teneurs en oxygène dissous, il est donc important d'explorer plus en détail cette hypothèse afin de mieux connaître les mécanismes en cours dans l'estuaire du St-Laurent et leur relation avec l'hypoxie récente des eaux de fond. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Hypoxie, Eutrophication, Foraminifères, Géochimie, Saint-Laurent.

La Grande Oie des Neiges (GON) est un oiseau migrateur qui fait halte dans les marais à scirpe américain (Schoenoplectus americanus) de l'estuaire du St-Laurent au printemps et à l'automne. Les oies s'y nourrissent principalement des rhizomes du scirpe. Depuis les années 80, la population connaît une croissance et des études réalisées dans les années 90 avaient montré que leur utilisation des marais dépassait la capacité de support du milieu. Afin d'évaluer si la situation s'était aggravée et pour bien caractériser l'effet du broutement des oies, un protocole expérimental, incluant l'établissement de parcelles permanentes et la pose d'exclos, a été mis en place dans quatre marais de l'estuaire: Cap Tourmente et Montmagny en 2004, l'Île-aux-Grues et Cap St-Ignace en 2005. Ces cages qui empêchaient les oies de brouter étaient installées avant leur arrivée au printemps et enlevées après leur départ à l'automne. À chaque été, un inventaire de la végétation a été fait dans les exclos et dans les parcelles témoins broutées. En utilisant des équations allométriques reliant la masse et la hauteur des tiges, la biomasse aérienne a pu être calculée pour chaque parcelle de façon non destructive. Ces équations allométriques ont été développées en 2007 et validées à l'aide d'un échantillonnage destructif. Suite à cette validation, des facteurs de correction ont été établis puisque l'échantillonnage non destructif surévaluait les biomasses aériennes réelles. Certains facteurs biophysiques ont également été étudiés au cours de 2007 dans tous les marais afin d'évaluer leur impact sur la biomasse: la sédimentation, le type de substrat, le temps de submersion et pour Cap Tourmente, les éléments nutritifs contenus dans les sédiments. La biomasse aérienne a augmenté significativement dans les exclos de tous les marais au cours de l'étude, tandis qu'elle n'a pas varié dans les parcelles témoins. Cette différence était attribuable surtout à l'augmentation de la densité des tiges et non à la biomasse des tiges individuelles dont la hauteur a peu varié dans le temps. Après quatre ans d'exclusion des oies, la biomasse aérienne était 104 et 128% plus élevée dans les exclos que dans les témoins à Cap Tourmente et Montmagny, respectivement. À Cap St-Ignace et à l'Île-aux- Grues, les différences étaient de 29 et 66%, respectivement, après trois ans d'exclusion. Il y avait une relation significative entre la biomasse aérienne et souterraine du scirpe ce qui indique que l'effet du broutement observé grâce à l'échantillonnage de la végétation aérienne a aussi un effet sur la biomasse souterraine qui contribue à l'alimentation des oies et à la production du scirpe. Finalement, les analyses de régression multiple ont montré qu'à Cap Tourmente, le phosphore organique et l'effet du broutement des oies étaient les deux variables explicatives de la variation de la biomasse aérienne du scirpe américain. Lorsque tous les marais étaient considérés, seul l'effet du broutement des oies expliquait la biomasse aérienne du scirpe. En conclusion, les résultats obtenus entre 2004 et 2007 confirment les différences observées au cours des années antérieures et montrent que les oies ont encore un impact sur les marais à scirpe. Elles maintiennent la productivité des marais à scirpe à un niveau faible par rapport à leur potentiel mais encore stable, comme observé par Giroux et Bédard (1987a) il y a plus de vingt ans. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Grande Oies des Neiges, Scirpe américain, Sagittaire, Zizanie aquatique, marais, biomasse, productivité.

L'analyse pollinique des sédiments de surface de la Baie de la Paz dans le Golfe de Californie et du Golfe de Tehuantepec montre que les assemblages sont dominés par les taxons herbacés (Chenopodiaceae et Asteraceae) dans la Baie de la Paz et par les Pinaceae dans le Golfe de Tehuantepec. Les enregistrements sporo-polliniques reflètent des apports d'une végétation boréale, luxuriante dans le Golfe de Tehuantepec et d'une végétation plus sèche au sud de la baie de Californie. Les proportions de tests carbonatés de foraminifères et de réseaux organiques de foraminifères benthiques montrent que les sédiments de la Baie de la Paz ainsi que ceux de la partie Nord du Golfe de Tehuantepec sont fortement affectés par la dissolution du carbonate de calcium contrairement à ceux de la partie sud du Golfe de Tehuantepec où le CaC03 biogénique dans le sédiment est relativement bien préservé. L'étude des kystes de dinoflagellés a été réalisée afin de déterminer des relations entre les assemblages de dinokystes et les paramètres hydrographiques des eaux de surface. Les résultats illustrent des concentrations de 12700 kystes/cm3 dans la Baie de la Paz à moins de 2000 kystes/cm) dans le Golfe de Tehuantepec et une diversité des espèces élevée (36 taxons). Les assemblages incluent des espèces autotrophes et hétérotrophes. L'espèce autotrophe Polysphaeridium zoharyi accompagnée de taxons hétérotrophes tels Brigantedinium spp., Echinidinium aculeatum, Echinidinium granulatum domine la partie Nord du Golfe de Tehuantepec, qui est caractérisé par un upwelling hivernal. Inversement, les échantillons de la partie sud du Golfe de Tehuantepec sont dominés par des taxons autotrophes tels Spiniferites delicatus et Bitectatodinium spongium. Les sites de la Baie de la Paz caractérisés par une forte productivité primaire (360 gC/m2/an) sont dominés par des taxons hétérotrophes représentés principalement par Brigantedinium spp., Echinidinium aculeatum, Echinidinium granulatum et Polykrikos kofoidi. Les résultats de l'analyse multivariée montrent que la distribution des dinokystes dans le Golfe de Californie et dans le Golfe de Tehuantepec est contrôlée essentiellement par la température de février et la productivité primaire annuelle. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Golfe de Californie, Golfe de Tehuantepec, pollen, dinokystes, température de février, Productivité primaire.

La productivité primaire océanique joue un rôle important dans les processus d'échange du carbone entre l'océan et l'atmosphère. Elle constitue une contribution majeure à la séquestration du CO₂ atmosphérique, l'un des principaux gaz à effet de serre. La reconstitution de la paléoproductivité à partir de séquences sédimentaires marines peut donc fournir des réponses à de nombreuses questions concernant les mécanismes impliqués dans les changements climatiques. Elle peut être extrêmement utile dans le domaine de la modélisation biogéochimique puisqu'elle permet de comprendre les mécanismes contrôlant la production, l'exportation et l'enfouissement du carbone à long terme. Cependant, l'estimation quantitative de la paléoproductivité à partir de séquences sédimentaires marines constitue un défi qui ne pourra être relevé que par le développement de traceurs qui ne sont pas affectés par les différents processus de dégradation et de dissolution dans la colonne d'eau et dans le sédiment. L'objectif principal de cette thèse est de développer un traceur micropaléontologique pour des reconstitutions quantitatives de la paléoproductivité. Il s'agit des kystes de dinoflagellés (ou dinokystes) qui, grâce à leur extrême résistance à la dissolution et leur abondance dans le sédiment, constituent un outil extrêmement important dans le domaine de la paléocéanographie à l'échelle du quaternaire. Nous avons exploré, dans le cadre de ce travail, le potentiel des kystes de dinoflagellés préservés dans les sédiments comme traceurs quantitatifs des paramètres hydrographiques et de la paléoproductivité marine. Nous avons choisi d'étudier leur distribution dans les sédiments de surface de l'hémisphère nord en relation avec les conditions hydrographiques et trophiques du milieu. Le but est d'évaluer la contribution des conditions trophiques au contrôle de la distribution des assemblages des dinokystes dans le sédiment. Notre étude a été réalisée selon trois volets. Le premier volet a consisté en l'analyse d'échantillons de sédiments de surface prélevés dans le Golfe d'Alaska et le long des marges nord-est américaines, qui se caractérisent par un gradient de productivité associé aux upwellings. Ce volet visait à comprendre la distribution des dinokystes le long d'un gradient de productivité et d'upwelling dans un contexte océanique et néritique. Le deuxième volet consistait en l'analyse d'échantillons de sédiments de surface répartis dans les milieux estuariens et côtiers de la Colombie-Britannique. Il visait à illustrer la distribution des assemblages dans un milieu très productif, influencés à la fois par des apports en éléments nutritifs d'origine naturelles (upwelling) et anthropique. Enfin, le troisième volet est une compilation de données palynologique, hydrographiques et de productivité primaire de 1171 sites dans l'hémisphère nord pour développer une base de données de référence hémisphérique à des fins de reconstitutions de la productivité par la méthode des meilleurs analogues modernes. Dans le Pacifique du Nord-est, l'étude palynologique de 76 échantillons de sédiments de surface provenant des milieux néritiques et océanique a permis de montrer que les taxons liés à une productivité hétérotrophe dominent les assemblages des zones côtières influencées par l'upwelling alors que les sites associés au zones oligotrophes océaniques sont dominés par les taxons autotrophes. Les analyses multivariées démontrent que, dans ce secteur, la distribution des assemblages de dinokystes est liée essentiellement à la productivité primaire et à l'intensité de l'upwelling. Elles démontrent également l'existence de liens avec la température hivernale qui, à une échelle régionale n'est pas affectée par l'upwelling contrairement à la température estivale qui est uniformisée sous l'effet de l'upwelling saisonnier. Dans les milieux estuariens de la Colombie-Britannique, incluant le détroit de Géorgie (GS) et les inlets d'Effingham (EFF), de Seymour et de Belize (SB), l'analyse de 60 échantillons de sédiment de surface montre que les taxons autotrophes dominent les assemblages dans les zones de productivité primaire relativement élevée (EFF et SB) alors que les protopéridiniales et les gymnodiniales, associés à une productivité hétérotrophe dominent les assemblages du détroit de Géorgie où la productivité est moindre. Les analyses multivariées montrent que la distribution des assemblages est significativement liée à la productivité primaire, la température de l'eau de surface et la concentration de silice pendant le printemps. Dans le détroit de Géorgie, les analyses de redondance montrent que la distance par rapport à la côte, la distance par rapport au port de Vancouver, la salinité de l'eau de surface, la concentration en phosphate et la productivité durant le printemps constituent les paramètres les plus déterminants. Par ailleurs, dans le panache du fleuve Fraser, les zones près du port de Vancouver, caractérisées par des apports continentaux élevés, une productivité printanière élevée et une stratification accrue sont marquées par l'abondance de Pentapharsodinium dalei alors que tous les protopéridiniales et les gymnodiniales dominent les assemblages des zones distales associées à une masse d'eau constituée par un mélange des eaux douces provenant du fleuve Fraser et des eaux salées issues de l'upwelling. Dans ce contexte, il est probable que la stratification des masses d'eau joue un rôle important, qu'il est toutefois difficile de quantifier. Des tests de validation utilisant la méthode des analogues modernes démontrent que les assemblages de dinokystes peuvent être utilisés pour reconstituer d'une manière quantitative la productivité primaire, la température et la salinité de surface à une échelle régionale. À l'échelle de l'hémisphère nord, une base de données de référence de sédiments modernes a été utilisée pour explorer le potentiel des assemblages de dinokystes comme traceurs de productivité primaire. La base de données inclut 1171 sites provenant de l'Atlantique Nord (n = 483), de l'Océan Arctique (n = 401) et du Pacifique Nord (n = 287). Pour établir des liens entre les assemblages de dinokystes et la productivité, nous avons utilisé deux jeux de données de productivité moderne issues de deux programmes d'observation de la couleur de la chlorophylle par satellite. L'une représentant une moyenne des mesures effectuées entre 1978 et 1989 (CZCS) et l'autre, une moyenne de données correspondant à la période de 2002 à 2005 (MODIS). Des analyses canoniques de correspondance ont été effectuées avec 62 taxons et huit paramètres environnementaux (température saisonnière et salinité saisonnière de l'eau de surface, couvert de glace de mer et productivité primaire saisonnière et annuelle). Les résultats montrent une relation étroite entre les assemblages et la productivité primaire notamment dans l'Atlantique Nord, dans le Pacifique Nord et à l'échelle hémisphérique. Toutefois, cette relation n'est pas la même dans tous les bassins de l'hémisphère nord. Des tests de validation (régressions linéaires entre les valeurs observées et estimées), en utilisant la méthode des meilleurs analogues, montrent des coefficients de corrélation généralement > 0,9 et des précisions de reconstitution de ± 1 l-25 %, selon la base de données de productivité utilisée. De telles précisions montrent que la productivité peut être reconstituée avec une erreur inférieure à la différence entre les données de productivité instrumentales de MODIS et de CZCS. L'ensemble des résultats de notre étude met en évidence l'intérêt des kystes de dinoflagellés pour reconstituer quantitativement la productivité primaire à l'échelle du quaternaire. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Kystes de dinoflagellés, Paléoproductivité, Reconstitution quantitative, Pacifique du Nord-est, Hémisphère Nord.

La productivité primaire nette PPN des grands écosystèmes est la variable-clé pour comprendre et quantifier les intéractions biosphère / atmosphère. Le modèle d'efficience photosynthétique de Monteith mettant en relation la PPN avec la quantité de rayonnement solaire photosynthétiquement actif absorbé (ou intercepté) APAR par le couvert végétal, mesurable à partir des indices de végétation, se prête parfaitement à une approche par télédétection. Le coefficient qui lie ces deux paramètres est appelé rendement photosynthétique ou encore efficience de conversion aérienne nette notée En. L'incertitude sur la valeur de En et l'absence de valeur pour nombre de biomes montrent l'importance de l'étalonnage du modèle. On dispose de mesures de biomasse permettant de calculer la PPN pour 60 des régions écologiques du Québec (qui en compte 69), d'une longue série temporelle d'images satellitaires de Global Vegetation Index NOAA-AVHRR de 1985 à 1992 et des normales climatiques au Québec. La mise en évidence de corrélation entre les propriétés optiques de la végétation (liées à l'APAR) et sa croissance montre la faisabilité d'un suivi de cette PPN par satellite. La biomasse aérienne anhydre est de 7 kg/m2 pour l'ensemble du territoire du Québec. La PPN varie de 100 à 400 g de matière sèche aérienne/m2/an pour le domaine de la pessière du Nord, à 670 g/m2/an pour les domaines feuillus du Sud. Les paramètres qui régissent la productivité forestière ne sont pas constants sur tout le Québec. Le modèle original est donc validé par région écologique appartenant à un même sous-domaine et pour des conditions climatiques données. L'étude de la sensibilité de En à ces variables climatiques a permis d'élaborer un tableau de correspondance entre les valeurs d'APAR, variant entre 664 et 1342 MJ/m2, des variables climatiques d'une région et sa productivité. Ainsi, En varie de 0,1 g/Mégajoules pour le domaine de la pessière noire à 0,57 g/MJ pour les feuillus du sud de la forêt boréale. Pour affiner ces estimations, l'accent devra être mis sur la connaissance des phénomènes physiques qui régissent les propriétés optiques de la végétation et surtout sur une harmonisation des méthodes de calcul et de mesure.

L’océan Arctique subit actuellement des modifications majeures et abruptes dans ces compartiments atmosphériques et océaniques reliées au changement climatique. Les premières conséquences écologiques à la perte de la glace de mer sont indéniables, telles qu’une augmentation globale de la production primaire (PP) annuelle à travers l’Arctique. Cependant, dans certaines régions, des études suggèrent plutôt une perte de productivité en réponse à une intensification locale de la stratification verticale. La réponse des communautés arctiques phytoplanctoniques au changement climatique reste toujours une question d’actualité complexe et incertaine, ayant de potentiels impacts sur l’ensemble des niveaux trophiques des écosystèmes marins. L’objectif premier de cette thèse se concentre sur cette problématique, avec une emphase particulière sur la biogéographie, la phénologie (c.-à-d., l’étude des cycles biologiques récurrents annuels) et la productivité des communautés phytoplanctoniques arctiques. Plus spécifiquement, cette étude s’appuie sur deux approches de recherche complémentaires : (1) la compilation et l’analyse de bases de données historiques traitant de la répartition verticale et spatiale, de la productivité et de l’écologie du phytoplancton arctique, et de (2) l’utilisation de la télédétection pour décrire la biogéographie, la phénologie et les changements en cours au niveau des communautés phytoplanctoniques arctiques. Basée sur une compilation inédite de profils verticaux de chlorophylle a (chl a; c.-à-d., 5206 stations), nous avons documenté la variabilité spatio-temporelle de la répartition verticale du phytoplancton et des différents régimes de productivité (de régions oligotrophes à eutrophes) pour l’ensemble de l’océan Arctique. Un modèle empirique a également pu être développé prédisant la répartition verticale de la chl a basée sur les valeurs de chl a de surface en fonction des saisons et des provinces biogéographiques de l’océan Arctique. Ce modèle nous a permis d’améliorer les estimations satellitales de la PP, mais aussi de mieux comprendre l’écologie et la phénologie des communautés phytoplanctoniques. Un intérêt particulier s’est porté sur les mécanismes de formation et de maintien des maxima de chlorophylle de subsurface (MCS) et de leur contribution à la PP annuelle. Par leur position verticale dictée par les profondeurs combinées de la nitracline et des masses d’eaux atlantiques (dans l’Arctique de l’Est) et pacifiques (dans l’Arctique de l’Ouest), ces MCSs contribuent significativement à la PP principalement dans les régions oligotrophes et lors des périodes de post-floraison. Dans un second temps, l’utilisation de la télédétection nous a révélé une conséquence inattendue du recul de la glace de mer en Arctique au niveau de la phénologie du phytoplancton arctique. Les régions qui avaient une seule floraison annuelle il y a seulement une dizaine d’années, développent maintenant une deuxième floraison à l’automne. Cette nouvelle floraison, qui coïncide avec le retard de la prise des glaces et à l’exposition accrue de la surface de l’océan aux vents automnaux, implique que l’océan Arctique pourrait passer d’un mode polaire à un mode boréal. Des scénarios biogéographiques du devenir de la PP annuelle, étroitement liés à la phénologie, peuvent ainsi être définis en réponse au retrait du couvert de glace de mer. Ces prédictions nous aideront à mieux appréhender de possibles changements au niveau des communautés phytoplanctoniques, pouvant engendrer par la suite des répercussions sur le cycle du carbone et les écosystèmes marins arctiques. / The Arctic Ocean is currently experiencing major and abrupt changes in its atmospheric and oceanic compartments due to climate change. The first emerging ecological consequences to the loss of sea ice are undeniable, such as increasing annual primary production (PP) globally in the Arctic Ocean. However, in some areas, studies suggest a decrease in productivity in response to a local intensification of the vertical stratification of the upper water column. The response of phytoplankton communities to climate change remains complex and difficult to predict, with potential dramatic impacts extending through all trophic levels of marine ecosystems. The primary objective of this thesis explores this fundamental question, with a particular emphasis on biogeography, phenology (i.e., the study of annual recurring biological cycles) and productivity of Arctic phytoplankton communities. More specifically, this study is based on two complementary research approaches: (1) the compilation and analysis of historical databases covering the vertical and spatial distribution, productivity and ecology of Arctic phytoplankton, and (2) the use of remote sensing data describing the biogeography, phenology and ongoing changes in Arctic phytoplankton communities. Based on a unique compilation of vertical profiles of chlorophyll a (chl a; i.e., 5206 stations), we documented the spatio-temporal variability of the vertical distribution of phytoplankton and the range of productivity regimes (from oligotrophic to eutrophic regions) across the Arctic Ocean. An empirical model has also been developed to predict the vertical distribution of chl a based on surface chl a values depending on season and the province of the Arctic Ocean. The benefits of this model allow us to improve satellite-derived PP estimates and improve our understanding of the ecology and phenology of phytoplankton communities. Particular attention has been focused on the mechanisms of formation and maintenance of subsurface chlorophyll maximum (SCM) and their contribution to annual PP. On account of their vertical position, dictated by the depths of both the nitracline and Atlantic (in the Eastern Arctic) and Pacific (in the Western Arctic) waters, these SCMs appear important to PP, particularly in oligotrophic regions and during post-bloom periods. In a second step, the use of remote sensing could reveal an unexpected consequence of Arctic ice loss on Arctic phytoplankton. Regions that experienced a single annual bloom only a decade ago now develop a second bloom in the fall. This new bloom, which coincides with delayed freeze-up and increasing exposure of the sea surface to winds in the fall, implies that the Arctic Ocean may be shifting from a polar to a temperate mode. Biogeographic scenarios for the future of the annual PP, which is closely related to phenology, can thus be defined in response to the current receding sea-ice cover. These predictions will allow us to better anticipate the possible changes in phytoplankton productivity and community structure and the potential cascading repercussions on the carbon cycle and marine Arctic ecosystems.

Le processus de la photosynthèse nécessite l'énergie de la lumière solaire et, dans l’océan, se déroule essentiellement dans la couche euphotique. Outre les autres variables (à savoir la chlorophylle a et les paramètres photosynthétiques), une connaissance appropriée du champ lumineux en termes de rayonnement incident disponible sur la photosynthèse (PAR) à un emplacement, une profondeur et une heure et une date donnés, est requise par les modèles d'écosystème marin. Le travail inclus dans cette thèse examine comment des angles de zénith solaires plus grands et différentes conditions nuageuses caractéristiques des régions de haute latitude, en particulier dans l'Arctique, peuvent affecter la précision des estimations de l'éclairement de surface et dans la colonne d’eau. L’accent est également mis sur les variations du champs lumineux à haute fréquence liées à la nébulosité sur les estimations de la productivité primaire. Les PAR de surface estimés à partir de différents modèles ont été comparés à des mesures en série chronologique in situ à haute fréquence de données de PAR d'une bouée située en mer Méditerranée. Nous avons examiné comment les incertitudes dues aux angles de zénith solaires plus grands, en conditions nuageuses variables, pouvaient affecter la précision des estimations de l'éclairement de surface. La méthode de classement objectif a été utilisée pour identifier les meilleures méthodes. Le produit PAR de la NASA-Ocean Biology Processing Group (OBPG) a montré les meilleures performances globales, tandis que les PAR basées sur la méthode de la table de conversion (LUT) ont présenté les meilleures performances en termes de différence carrée moyenne, de biais sous ciel clair et également par temps couvert. D'autres méthodes basées sur des formulations empiriques ont montré la troisième meilleure performance par temps clair, tandis que par temps nuageux, elles présentaient de plus grandes incertitudes. Trois méthodes testées par faible ensoleillement ont montré des incertitudes allant jusqu'à 50% dans toutes les conditions du ciel. Les performances du modèle dépendent des propriétés et des produits de nuage... / The process of photosynthesis requires the energy from sunlight and takes place essentially in the euphotic layer of the oceans. In addition to other variables (i.e., chlorophyll a and photosynthetic parameters) a suitable knowledge of light field in terms of photosynthetically available radiation (PAR) at any given location, depth and time is an important input parameter required by marine ecosystem models. The work included in this thesis examines how larger solar zenith angles, different cloud conditions that are characteristic features of high latitude regions, especially in Arctic, might affect the accuracy of surface irradiance estimates. Further, main focus was on the effects of high frequency variations in the light field on primary production. Surface PAR estimated from different models were compared with high frequency in situ time series measurements of PAR a buoy located in Mediterranean Sea. It was examined how uncertainties due to larger solar zenith angles under varying cloud conditions might affect the accuracy of surface irradiance. Objective ranking method was used to identify the best methods. Methods tested under low sun elevations exhibited uncertainties as large as 50% under all sky conditions. Model performances were dependent on cloud properties and products. Accuracy of a semianalytical model for coefficient of vertical diffuse attenuation of surface irradiance (kd!) based on optical properties inherent to the water itself (absorption and scattering), and solar zenith angle was examined under larger solar zenith angels and cloud conditions. Extensive radiative transfer simulations were performed to quantify the uncertainties due to large solar zenith angles and clouds on the estimates of diffuse attenuation coefficient. The uncertainties under both these conditions are due to the variability in the proportions of direct and diffuse parts of the total irradiance reaching the surface and in the water column. Also, an improved model parameterization proposed to estimate !"# under large solar zenith angels and cloud conditions was evaluated with Arctic in situ data exhibited good performances...