Thesis advisor: Hilary Palevsky / The ocean plays a key role in global carbon cycling, taking up CO2 from the atmosphere. A fraction of this CO2 is converted into organic carbon through primary production in the surface ocean and sequestered in the deep ocean through a process known as the biological pump. The ability of the biological pump to sequester carbon away from the atmosphere is influenced by the interaction between the annual cycle of ocean mixed layer depth (MLD), primary production, and ecosystem processes that influence export efficiency. Gravitational sinking of particulate organic carbon (POC) is the largest component of the biological pump and the aspect that is best represented in Earth System Models (ESMs). I use ESM data from CESM2, an ESM participating in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6), to investigate how a high-emissions climate change scenario will impact POC flux globally and regionally over the 21st century. The model simulates a 4.4% decrease in global POC flux at the 100 m depth horizon, from 7.12 Pg C/yr in the short-term (2014-2034) to 6.81 Pg C/yr in the long-term (2079-2099), indicating that the biological pump will become less efficient overall at sequestering carbon. However, the extent of change varies across the globe, including the largest POC flux declines in the North Atlantic, where the maximum annual MLD is projected to shoal immensely. In the future, a multi-model comparison across ESMs will allow for further analysis on the variability of these changes to the biological pump. / Thesis (BS) — Boston College, 2021. / Submitted to: Boston College. College of Arts and Sciences. / Discipline: Departmental Honors. / Discipline: Earth and Environmental Science.

Les rivières sont une source importante de constituants biogéochimiques pour les océans. Jusqu’à présent, les modèles océaniques globaux représentaient de manière inadéquate ou ignoraient simplement les apports continentaux de nutriments, de carbone, d’alcalinité provenant des rivières. En particulier, les perturbations anthropiques des apports fluviaux au cours du 20 ème siècle et leurs conséquences sur l’état physique et biogéochimique des océans - notamment la zone côtière - n’ont pas encore été analysées à l’aide d’un modèle global prenant en compte la circulation tridimensionnelle de l’océan. L’objectif principal de cette thèse était donc d’intégrer les apports biogéochimiques provenant des rivières dans un modèle océanique global afin d’améliorer la compréhension du cycle du carbone de l’océan côtier et son évolution au cours du 20 ème siècle. Dans un premier temps, mon travail a visé à l’amélioration des connaissances concernant le rôle des apports biogéochimiques fluviaux sur le cycle du carbone océanique à long-terme, en se focalisant sur la période préindustrielle. Pour cela, j’ai estimé les apports des rivières en utilisant des modèles permettant d’estimer l’érosion chimique et le transfert de matière organique desécosystèmes terrestres à l’océan. Ces apports fluviaux ont ensuite été ajoutés dans le modèle biogéochimique océanique HAMOCC et leurs impacts sur la production primaire océanique et les flux de CO2 entre l’atmosphère et l’océan ont été analysés. Les résultats nous ont permis de quantifier un dégazage de CO 2 préindustriel de 0.23 Pg C yr -1 pour l’océan global, principalement localisé à proximité de l’embouchure des rivières. Le modèle a également démontré l’existence d’un transfert inter-hémisphèrique de carbone, avec un plus grand apport des rivières à l’océan dans l’hémisphère nord, et un transfert de l’hémisphère nord à l’hémisphère sud où un dégazage net se produit. Une augmentation considérable de la production primaire océanique induite par les apports des rivières a également été prédite.La modélisation biogéochimique de l’océan côtier a ensuite été améliorée, en augmentant la vitesse de minéralisation de la matière organique dans les sédiments côtiers et en incluant la dégradation de la matière organique dissoute d’origine terrestre (tDOM) dans l’océan. Par ailleurs, notre analyse suggère un temps de résidence des eaux dans la zone côtière significativement plus courte (14-16 mois en moyenne) que celui estimé jusqu’à présent (>4 ans). Ce temps de courte résidence implique un transfert efficace de matière organiquede l’océan côtier à l’océan ouvert, un état autotrophe net de l’océan côtier, ainsi qu’un puit de CO 2 (0.06-0.08 Pg C yr -1) pour la période préindustrielle, contrairement aux hypothèses précédemment proposées dans la littérature.Dans le dernier chapitre, les perturbations océaniques induites par les changements de la concentration en CO 2 dans l’atmosphère, de la physique de l’océan et des apports biogéochimiques fluviaux au cours du 20 ème siècle ont été analysées. Les résultats indiquent que la réduction de production primaire nette (NPP) observée dans les océans tropicaux et subtropicaux, pourrait être entièrement compensée par une augmentation de la NPP dans l’océan austral et dans les systèmes côtiers de type «EBUS». Les simulations montrent aussi que l’augmentation des apports fluviaux provoque une augmentation de NPP océanique à l’échelle de l’océan côtier (+15 %) et à l’échelle globale (+ 4 %). En conclusion, cette thèse a permis de démontrer l’importance d’inclure la variabilité spatio-temporelle des apports fluviaux et des processus biogéochimiques de l’océan côtier dans la description du cycle du carbone océanique global. Les améliorations apportées au modèle océanique global HAMOCC permettront d’affiner les prédictions du rôle de l’océan dans le cycle du carbone au cours du 21 ème siècle. / River deliver vast amounts of terrestrially derived compounds to the ocean. These fluxes are of particular importance for the coastal ocean, which is recognized as a region of disproportionate contribution to global oceanic biological fluxes. Until now, the riverine carbon, nutrient and alkalinity inputs have been poorly represented or omitted in global ocean biogeochemistry models. In particular, there has yet to be a model that considers the pre-industrial riverine loads of biogeochemical compounds to the ocean, and terrestrial inputs of organic matter are greatly simplified in their composition and reactivities in the ocean. Furthermore, the coastal ocean and its contribution to the globalcarbon cycle have remained enigmatic, with little attention being paid to this area of high biological productivity in global model analysis of carbon fluxes. Lastly, 20 th century perturbations in riverine fluxes as well as of the physical and biogeochemical states of the coastal ocean have remained unexplored in a 3-dimensional model. Thus, the main goals of this thesis are to integrate an improved representation of riverine supplies in a global ocean model, as well as to improve the representation of the coastal ocean in the model, in order to solve open questions with respect its global contributions to carbon cycling.In this thesis, I first aimed to close gaps of knowledge in the long-term implications of pre-industrial riverine loads for the oceanic cycling of carbon in a novel framework. I estimated pre-industrial biogeochemical riverine loads and their spatial distributions derived from Earth System Model variables while using a hierarchy of state-of-the-art weathering and organic matter land-ocean export models. I incorporated these loads into the global ocean biogeochemical model HAMOCC and investigated the induced changes in oceanic biological production and in the air-sea carbon flux, both at the global scale and in a regional shelf analysis. Finally, I summarized the results by assessing the net land sink of atmospheric carbon prescribed by the terrestrial models, and comparing it to the long-term carbon outgassing determined in the ocean model. The study reveals a pre-industrial oceanic outgassing flux of 231 Tg C yr -1 ,which is found to a large degree in proximity to the river mouths. The model also indicates an interhemispheric transfer of carbon from dominant northern hemisphere riverine inputs to outgassing in the southern hemisphere. Furthermore, I observe substantial riverine-induced increases in biological productivity in the tropical West Atlantic (+166 %), the Bay of Bengal (+377 %) and in the East China Sea (+71 %), in comparison to a model simulation which does not consider the riverine inputs.In addition to considering supplies provided by riverine fluxes, the biogeochemical representation of the coastal ocean is improved in HAMOCC, by firstly increasing organic matter remineralization rates in the coastal sediment and by secondly explicitly representing the breakdown process of terrestrial dissolved organic matter (tDOM) in the ocean. In an analysis of the coastal fluxes, the model shows a much shorter residence time of coastal waters (14-16 months) than previously assumed, which leads to an efficient cross-shelf transport of organic matter and a net autotrophic state for both the pre-industrial timeframe and the present day. The coastal ocean is also revealed as a CO2 sink for the pre-industrial time period (0.06-0.08 Pg C yr -1 ) in contrary to to the suggested source in published literature. The sink is however not only caused by the autotrophic state of the coastal ocean, but it is likely also strongly influenced by the effects of biological alkalinity production, as well as both physical and biogeochemical characteristics of open ocean inflows.In the final chapter, 20 th century oceanic perturbations due to changes in atmospheric CO 2 concentrations and in the physical climate, and to increases in riverine nutrient supplies were investigated by using sequential model simulations. The model results show that the decrease in the net primary production (NPP) in the tropical and subtropical oceans due to temperature-induced stratification may be completely compensated by increases in the Southern Ocean and in Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS). The model also reveals that including increases in riverine supplies causes a global ocean NPP increase of +4 %, with the coastal ocean being a particularlystrongly affected region (+15 %).This thesis shows a strong necessity to represent spatio-temporal changes in riverine supplies and of the coastal ocean state in spatially explicit global models in order to assess changes of the global cycling of carbon in the ocean in the past and potentially in the future. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail de thèse porte sur la quantification de la diazotrophie et son influence sur les cycles biogéochimiques dans l'océan de surface Pacifique tropical sud-ouest, une région particulièrement sous-échantillonnée à ce jour. Les objectifs de ce travail étaient (1) de quantifier la fixation de N2 et identifier les principaux acteurs de la diazotrophie dans cette région, (2) d’évaluer l'influence de la fixation de N2 sur la production primaire et sur l'export de carbone, (3) d’identifier les voies de transfert de l’azote fixé dans la chaine trophique planctonique.Il a été mis en évidence que la région du Pacifique tropical sud-ouest était un hot spot de fixation de N2. A l'ouest, les eaux oligotrophes des archipels Mélanésiens présentaient des taux de fixation de N2 élevés et la communauté diazotrophe était dominée par Trichodesmium. A l'est, les eaux ultra-oligotrophes de la gyre du Pacifique sud présentaient des taux de fixation de N2 plus faibles et la communauté diazotrophe était dominée par les UCYN-B.Des bilans d'azote montrent que la fixation de N2 contribuait à plus de 90 % des apports d'azote nouveau dans la couche euphotique, et soutenait donc la quasi intégralité de la production primaire nouvelle. L'étude des voies de transfert de l'azote fixé montre qu’entre 7 et 15 % de la fixation de N2 totale était transféré vers les organismes non-diazotrophes.Ces travaux de thèse démontrent que la diazotrophie soutient la pompe biologique dans l'océan Pacifique tropical sud-ouest, et qu'elle peut jouer un rôle déterminant dans la structure des communautés planctoniques et les cycles biogéochimiques du carbone et de l'azote dans les régions oligotrophes. / This PhD thesis focuses on the quantification of diazotrophy and its influence on biogeochemical cycles in the western tropical South Pacific Ocean, a critically under-sampled region so far. The aim of this work is to (1) quantify N2 fixation and identify the main contributors of diazotrophy in this region, (2) assess the influence of N2 fixation on primary production and carbon export, (3) identify transfer pathways of the fixed nitrogen in the planktonic food web.We have found that the western tropical South Pacific Ocean was a hotspot of N2 fixation. In the western part, the oligotrophic waters of the Melanesian archipelago presented high N2 fixation rates and diazotrophes were dominated by Trichodesmium. In the eastern part, the ultra-oligotrophic waters of the South Pacific gyre presented lower N2 fixation rates, and diazotrophs were dominated by UCYN-B.The nitrogen budgets show that N2 fixation contributed to more than 90 % of the of new nitrogen input in the photic layer. The study of the transfer pathways of the fixed nitrogen has shown that 7 to 15 % of total N2 fixation was transferred to non-diazotrophs.This PhD thesis indicates that diazotrophy sustains the biological pump in the western tropical South Pacific Ocean, and can have a critical influence in the planktonic community structure and in biogeochemical cycles of carbon and nitrogen in oligotrophic regions.

Planktonic ecosystems provide a key mechanism for the transfer of CO2 from the atmosphere to the deep ocean via the so-called "biological pump". Mathematical models of these ecosystems have been used to predict CO2 uptake in surface waters, and more recently have been embedded in global climate models. While the equilibrium properties of these models are well studied, less attention has been paid to their response to external perturbations, despite the fact that as a result of the variability of environmental forcing such ecosystems are rarely, if ever, in equilibrium. Human induced perturbations to these ecosystems, namely the addition of limiting nutrients (e.g. iron) to areas where nitrate is plentiful to accelerate the biological pump, have been proposed as a solution to reduce atmospheric CO2. Linear theory is used to determine the structure of "unit-norm" perturbations (size in mmol N m^-3) to state variables of an ecosystem model in steady state, describing Ocean Station P (50N 145W) in summer, that optimize either instantaneous export flux of organic matter at fixed times or integrated export as the ecosystem relaxes towards equilibrium. For all perturbations, the flux to higher trophic levels is the primary contributor to export flux, the contribution of aggregation is negligible, and (sinking) detritus increases significantly in the transient dynamics. Two perturbations considered optimize instantaneous export flux; both perturbations synchronize P1 and Z1 relative to their predator prey cycle, resulting in a maximum instantaneous export flux of 4.4 mmol N m^-2 d^-1, and also increased integrated export above that at steady state (6 g C m^-2 over 150 days). An increase in larger phytoplankton (P2), representing diatoms, results in the highest integrated export (7 g C m^-2). The perturbations in which P2 persist the longest give the highest integrated export, and these perturbations are primarily increases in P2. The additional integrated export in response to a proportional increase to steady state concentrations of both large and small phytoplankton is positive, but much lower than the optimal perturbations. However, the additional integrated export in response to an increase in only P1 is negligible. The linear and nonlinear ecosystem and export responses to two perturbations are compared; for perturbations of magnitude 0.5 mmol N m^-3, the linearization of the ecosystem dynamics, rather than of the export flux, is the primary cause for differences between the fully linear and fully nonlinear cases.

L’objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre les différents facteurs contrôlant la pompe biologique de carbone en Atlantique Nord et dans l’Océan Austral, à proximité des îles Kerguelen, en utilisant notamment deux approches: le Thorium-234 (234Th) et le baryum biogénique (Baxs).En Atlantique Nord, les flux d’export de carbone organique particulaire (POC) augmentent lorsqu’ils sont associés à des minéraux biogéniques (silice biogénique et carbonate de calcium) et lithogènes, capable de lester les particules. L’efficacité d’export, généralement plus faible que précédemment supposé (< 10%), est inversement corrélée à la production, soulignant un décalage temporel entre production et export. La plus forte efficacité de transfert, i.e. la fraction de POC atteignant 400m, est reliée à des particules lestées par du carbonate de calcium ou des minéraux lithogènes.Les flux de reminéralisation mésopélagique sont similaires ou parfois supérieurs aux flux d’exports et dépendent de l’intensité du développement phytoplanctonique, de la structure en taille, des communautés phytoplanctoniques et des processus physiques (advection verticale).Comme observé pour le POC, l’export des éléments traces est influencé par les particules lithogènes provenant des marges océaniques, mais aussi des différentes espèces phytoplanctoniques.Dans l’Océan Austral, la zone à proximité de l’île de Kerguelen est naturellement fertilisée en fer, augmentant les flux d’export de fer, d’azote et de silice biogénique. Il a été démontré que la variabilité des flux dépendait des communautés phytoplanctoniques dans la zone fertilisée. / The main objective of this thesis is to improve our understanding of the different controls that affect the oceanic biological carbon pump. Particulate export and remineralization fluxes were investigated using the thorium-234 (234Th) and biogenic barium (Baxs) proxies.In the North Atlantic, the highest particulate organic carbon (POC) export fluxes were associated to biogenic (biogenic silica or calcium carbonate) and lithogenic minerals, ballasting the particles.Export efficiency was generally low (< 10%) and inversely related to primary production, highlighting a phase lag between production and export. The highest transfer efficiencies, i.e. the fraction of POC that reached 400m, were driven by sinking particles ballasted by calcite or lithogenic minerals.The regional variation of mesopelagic remineralization was attributed to changes in bloom intensity, phytoplankton cell size, community structure and physical forcing (downwelling). Carbon remineralization balanced, or even exceeded, POC export, highlighting the impact of mesopelagic remineralization on the biological pump with a near-zero, deep carbon sequestration for spring 2014.Export of trace metals appeared strongly influenced by lithogenic material advected from the margins. However, at open ocean stations not influenced by lithogenic matter, trace metal export rather depended on phytoplankton activity and biomass.A last part of this work focused on export of biogenic silica, particulate nitrogen and iron near the Kerguelen Island. This area is characterized by a natural iron-fertilization that increases export fluxes. Inside the fertilized area, flux variability is related to phytoplankton community composition.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet SIMED fédérant les activités de modélisation à l'échelle méditerranéenne, et plus globalement dans le programme MERMEX qui vise à étudier les cycles biogéochimiques en mer Méditerranée et leurs évolutions futures. L'étape préliminaire a été de coupler la plateforme de modélisation hydrodynamique (NEMO) à celle de modélisation biogéochimique mécaniste (Eco3M), afin de réaliser une simulation (2000-2012) utilisant les sorties hydrodynamiques de la configuration NEMO-MED12 pour forcer le modèle biogéochimique Eco3M-MED. Les nombreuses comparaisons menées dans cette thèse (chlorophylle, sels nutritifs, production primaire, etc.) ont aidé à s'assurer de la capacité du modèle à reproduire les principales caractéristiques biogéochimiques de la Méditerranée. Ce travail a permis de généraliser le rôle majeur joué par le carbone organique dissous dans la pompe biologique à l'échelle de la mer Méditerranée. Les résultats montrent que la production de carbone organique particulaire est restreinte aux régions de forte dynamique physique, tandis que l'accumulation de carbone organique dissous dans les eaux de surface est commune à la plupart des régions du bassin. Ce dernier processus s'est avéré dépendant des contenus cellulaires du phytoplancton et des bactéries hétérotrophes. Finalement d'après le modèle, la fraction dissoute du carbone organique contribuerait à hauteur d'environ 64 % à l'exportation dans le bassin Ouest, et de 90 % dans le bassin Est. Le bassin Est -en dépit de sa plus forte oligotrophie- s'avère participer à près de 60 % à l'exportation de carbone organique en mer Méditerranée. / This work is part of the SIMED project which is dedicated to basin-scale modeling of the Mediterranean Sea. It also belongs to the MERMEX program which aims at studying biogeochemical cycles in the Mediterranean Sea and their evolution. The first step of this work was to couple the hydrodynamic modeling platform (NEMO) to the mechanistic biogeochemical modeling platform (Eco3M). We ran a simulation (2000-2012) using the hydrodynamic outputs from NEMO-MED12 configuration to force the biogeochamical model Eco3M-MED. The model evaluation was conducted using numerous field measurements (chlorophyll, nutrients, primary production, etc.). The simulation strengthens and extends to the whole basin the prominent role of dissolved organic carbon in the biological carbon pump in the whole Mediterranean Sea. A comprehensive analysis of organic carbon (particulate and dissolved) production processes production was performed. Results reveal that particulate organic carbon production is restricted to the highly dynamic areas, whereas dissolved organic carbon accumulation in the surface layers is a common process in much areas of the basin. This latter process appeared to dependant on the cellular contents of phytoplancton and heterotrophic bacteria, themselved being controled by low phosphate availability. Finally, the dissolved organic carbon contribution to carbon export is around 64 % in the Western basin, and up to 90 % in the Eastern basin. When taking into account the dissolved fraction, total organic carbon export in the Eastern basin -despite its higher oligotrophy- exceeds the one in the Western basin (60% against 40 %).