Les observations dérivées d’images satellites suggèrent que la réduction récente de l’étendue de la glace de mer a entraîné une augmentation de la production primaire en Arctique. Cependant, peu d’observations in situ sont disponibles pour confirmer ces estimations, en particulier au début de la saison de production. Les cellules de microalgues collectées dans des pièges à particules déployés sur trois sites de la mer de Beaufort au cours de trois à cinq cycles annuels de 2011 à 2017 ont été énumérées et identifiées afin d'étudier les changements dans le timing, l'abondance et la composition de l’export de microalgues en relation avec les variations dans le couvert de neige et de glace de mer. Les diatomées ont dominé les flux de microalgues avec différents assemblages au printemps-été (avril à août; Fragilariopsis spp. et Thalassiosira spp.) et à l'automne (septembre-novembre; Cylindrotheca closterium). La fonte des neiges ou la débâcle des glaces s'est produite dès la fin avril (2016) et jusqu'à la mi-août (2013). Les flux printemps-été des diatomées variaient de 0,05 à 500 mg C m⁻² (< 10⁵ à 1,25 x 10¹⁰ cellules m⁻²) et étaient négativement corrélés à la date de la fonte des neiges (r² = 0,35, n = 12) et à la débâcle des glaces (r² = 0,32, n = 12). L’exportation de l’algue de glace Nitzschia frigida reflète la libération des algues de glace au début de la fonte des neiges. Les flux maximaux de diatomées ont été systématiquement observés peu de temps après la débâcle des glaces. La contribution en pourcentage du flux de carbone associé aux microalgues (MC) au flux de carbone organique particulaire (POC) augmente avec l'ampleur du flux de diatomées. L'ampleur du flux de diatomées automnal relativement faible n'était pas corrélée de manière significative à la date de formation du couvert de glace (r² = 0,24, n = 10). Nos résultats sont généralement cohérents avec les observations satellitaires suggérant une augmentation de la biomasse de microalgues et le développement d’une prolifération de diatomées à l’automne en réponse à une saison libre plus longue dans les mers arctiques. Les variations à l’échelle régionale dans le régime de neige et de glace de mer ont une incidence directe sur le moment et l’ampleur de la production de microalgues et sur sa contribution à l’export de POC dans la mer de Beaufort. Avec le réchauffement climatique, la réduction continue du couvert de neige et de glace dans les mers arctiques entraînera une augmentation des flux de carbone vers le benthos et, potentiellement, une séquestration du carbone en profondeur. / Microalgal cells collected in sediment traps deployed at three sites in the Beaufort Sea during three to five annual cycles from 2011 to 2017 were enumerated and identified to investigate changes in the timing, abundance and composition of microalgal export in relation to variations in snow and sea ice cover. Diatoms dominated the microalgal fluxes with different assemblages in spring-summer (April to August; Fragilariopsis spp. and Thalassiosira spp.) and autumn (September-November; Cylindrotheca closterium). Snowmelt or ice breakup occurred as early as late April (2016) and as late as mid-August (2013). The magnitude of the spring-summer diatom flux varied from ~0.05 to 500 mg C m⁻² (< 10⁵ to 1.25 x 10¹⁰ cells m⁻²) and was negatively correlated to snowmelt date (r² = 0.35, n = 12) and sea-ice breakup date (r² = 0.32, n = 12). The export of the ice-obligated algae Nitzschia frigida reflected the release of sea ice algae at the onset of snowmelt. Peak diatom fluxes were consistently observed shortly after seaice break-up. The percent contribution of microalgal carbon to the particulate organic carbon (POC) flux increased with the magnitude of the diatom flux. The magnitude of the relatively small autumnal diatom flux was not significantly correlated to freeze-up date (r² = 0.24, n = 10). Our results are generally consistent with satellite observations suggesting an increase in microalgal biomass and the development of an autumn diatom bloom in response to a longer ice-free season in Arctic seas. Variations at the regional scale in the snow and sea-ice regimes directly impact the timing and magnitude of microalgal production and its contribution to POC export in the Beaufort Sea. With global warming, the ongoing reduction of the sea-ice cover in Arctic seas will result in increased carbon fluxes to the benthos and, potentially, carbon sequestration at depth.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / L'objectif principal de cette étude était de quantifier, à la base de la glace de mer de première année dans l’archipel Arctique canadien, la variabilité spatiale des principales réactions biologiques du cycle de l'azote, soit l'assimilation du nitrate et de l'ammonium, la nitrification, l'ammonification et la fixation de N₂ afin d’en comparer les taux et de les relier à la variabilité des conditions environnementales du milieu. Les flux d'azote quantifiés ont démontré une grande variabilité selon les conditions biologiques, physiques et chimiques de la glace. La productivité du milieu, estimée par la concentration en biomasse, modulait un grand nombre de ces flux, dont l’intensité relative était généralement semblable pour l'ensemble des sites échantillonnés malgré la variabilité des conditions environnementales. L’ammonification s’est avérée particulièrement importante, favorisant une assimilation conséquente de l’ammonium et une production essentiellement régénérée. Les résultats de cette étude approfondissent la compréhension des mécanismes régulant les flux biologiques d’azote dans la glace de mer et pourront servir à l’élaboration de scénarios futurs en resserrant la paramétrisation des modèles biogéochimiques.

C'est sans doute en Arctique que le changement climatique est le plus visible, et semble affecter toutes les composantes du système Arctique, et notamment ses bilans d'eau douce et de chaleur. Alors que l'on s'attend à ce que le signal d'un changement local en Arctique ait son impact climatique le plus important lorsqu'il est exporté au sud d'un coté ou de l'autre du Groenland vers les mers subarctiques, où il peut moduler l'intensité de la circulation thermohaline, l'objectif de cette thèse est donc d'étudier les échanges de volume, de chaleur, d'eau douce et de glace de l'Océan Arctique vers l'Atlantique Nord. Tout d'abord, une simulation réaliste des années 1958 à 2002 basée sur un modèle global couplé glace/océan est utilisée pour étudier la variabilité du bilan d'eau douce en Arctique, afin de comprendre quelle composante de ce bilan contrôle les variations du contenu halin du bassin. On s'intéresse également à la variabilité des exports d'eau douce vers l'Atlantique Nord, et on montre que les exports d'eau douce vers l'Atlantique sont contrôlés par des mécanismes différents de part et d'autre du Groenland: dans les détroits canadiens, le transport de volume domine la variabilité, alors que salinité et courants contribuent à la variabilité dans le détroit de Fram. Par la suite, une réanalyse océanique des années récentes nous permet d'explorer les conséquences pour le contenu halin de l'Arctique du minimum record de l'extension de glace de l'été 2007. Une méthode numérique originale est ensuite utilisée pour comprendre l'origine des masses d'eau qui sont exportées de l'Arctique vers l'Atlantique Nord. On effectue ainsi une analyse lagrangienne qualitative à partir des sorties 3D mensuelles climatologiques d'un modèle global couplé glace/océan à haute résolution, qui permet de quantifier les contributions relatives des différentes branches de circulation à ces exports, ainsi que les échelles de temps et les transformations de masses d'eau associées. Un schéma complet de la circulation dans le bassin Arctique est ainsi proposé, et nous soulignons le rôle clé de la mer de Barents pour les transformations des eaux d'origine Atlantique. Enfin, nous examinons l'influence relative des différents forçages atmosphériques (vent, flux de chaleur et halins) sur les variations du volume de glace en Arctique. Des expériences de sensibilité sont réalisées à l'aide d'un modèle régional de l'Arctique et l'Atlantique Nord, permettant de mieux comprendre les distributions spatiales et temporelles des contributions des différents forçages atmosphériques.

L'océan Austral est un endroit où des changements climatiques importants se sont produits au cours du siècle dernier, accompagnés d'un important niveau d'exploitation des ressources naturelles vivantes par l'homme. Ces changements globaux peuvent potentiellement conduire à des perturbations majeures des écosystèmes de l'océan Austral jusqu'aux prédateurs marins supérieurs. La pêche peut aussi directement affecter les oiseaux de mer par la mortalité accidentelle dans les engins de pêche (prises accessoires) et les ressources alimentaires supplémentaires fournies par les rejets. Lors des 20 dernières années un nombre croissant de recherches ont été effectuées sur les effets du changement climatique et des activités de pêche sur les oiseaux marins de l'océan Austral. L'utilisation de données à long terme d'observations en mer et de populations avec des animaux connus individuellement était essentielle pour détecter ces effets. Ici, nous passons en revue ces études afin d'identifier les tendances dans les changements de distribution, de phénologie, de démographie et de dynamique des populations en réponse aux changements climatiques et aux activités de pêche. Des changements dans la répartition et la phénologie de la reproduction ont été documentés en parallèle à l'augmentation des températures de surface de la mer et des changements dans la couverture de glace de mer dans l'océan Indien du Sud. Des températures de surface de la mer anormalement chaudes semblent principalement avoir un effet négatif sur les paramètres démographiques, bien qu'il existe des exceptions. Les variations de l'étendue de la glace de mer affectent également plusieurs paramètres démographiques et la dynamique des populations. Les relations suggèrent des effets non linéaires, avec des conditions optimales de couverture de glace de mer qui semblent être la règle. L'effort de pêche est principalement négativement relié aux taux de survie des populations et pour quelques espèces positivement relié au succès de la reproduction. Quelques études montrent que les facteurs climatiques et les prises accessoires de la pêche peuvent affecter les paramètres démographiques simultanément d'une manière complexe, qui peut être intégrée dans les modèles de dynamique des populations pour prévoir l'impact sur les populations. Bien que chez les oiseaux marins le taux de croissance démographique soit moins sensible aux variations de la survie des juvéniles qu'à des variations de la survie des adultes, la mortalité chronique des immatures en raison de la pêche peut nuire aux populations. Les modèles de population permettent aussi de projeter des trajectoires de populations dans des conditions climatiques futures. Les études à venir devront intégrer d'autres facteurs environnementaux, d'autres niveaux trophiques, le comportement de recherche de nourriture, les interactions entre climat et pêcheries et les mécanismes sous-jacents à la plasticité phénotypique, comme certaines études pionnières réalisées dans l'hémisphère Nord.

La fonte rapide des glaces de l'Arctique dans le contexte actuel du réchauffement climatique est un sujet scientifique majeur de ces 30 dernières années. L'Arctique joue un rôle fondamental dans l'équilibre du climat et requiert une attention particulière. Les régions arctiques sont alors surveillées par des observations satellitaires et des mesures in-situ. L'impact climatique de la fonte totale de la glace arctique est encore spéculatif. Des recherches sont donc nécessaires pour le suivi à long terme de l'Océan Arctique, en particulier la dynamique spatio-temporelle de la couverture de glace et ses conséquences sur les écosystèmes. Notre travail s'inscrit dans ce contexte, et est porté sur le paysage sonore des régions polaires avant leur possible industrialisation qui accompagnera la fonte de la glace. Ainsi, nous avons d'abord examiné les conséquences de la disparition du couvert de glace sur les paysages sonores de ces régions. Nous avons alors étudié les variations saisonnières du bruit de fond et ses pilotes environnementaux. De ce fait, nous avons développé un algorithme d'estimation du bruit ambiant afin de pouvoir constituer des séries temporelles à partir des données acoustiques longue durée. Deuxièmement, nous avons étudié les transitoires générés par le comportement mécanique de la banquise en Arctique. Cette étude vise d'une part à comprendre le mécanisme de production de ces transitoires sous la glace, et d'autre part à évaluer leur potentiel comme moyen d'observation de la dynamique de la glace de mer. / The Arctic sea ice melting, in the global warming context, has become a major scientific topic during the last 30 years. The Arctic Ocean plays a fundamental role in the global climate balance and requires a particular attention. The Arctic Regions are then monitored by satellite observations and in-situ measurements. The climatic impact of the total melting of the Arctic sea ice is not yet understood and researches are still needed for long term monitoring of Arctic Ocean, particularly the dynamics of the ice cover and its consequences on the ecosystems. Our work focused on the natural soundscapes of these Polar Regions prior to their possible industrialization. So, we first examined the impact of climate warming alone on polar soundscapes by studying the seasonal variability of ambient noise and its environmental drivers. We then developed an ambient noise estimation algorithm for automatic extraction of this noise component from long term measurements. In second, we examined the acoustic transients generated by the mechanical behavior of the ice cover at its maximum extent. This aims to better understanding of the physical processes involved in under-ice noise production and their potential use for sea ice monitoring.

Le réchauffement régional de l'ouest de la Péninsule Antarctique (WAP) combiné à la diminution attendue de glace de mer et à l'apparition printanière du trou d'ozone pourrait modifier la composition et la structure de la communauté microbienne. De plus, ces variations environnementales pourraient modifier le potentiel de la WAP en tant que puits de CO2. Dans ce contexte, cette thèse visait à évaluer les effets combinés du changement climatique sur la production primaire et sur la composition et la structure de la communauté microbienne de la WAP. Cette thèse visait également à évaluer le rôle de la structure, de la composition, de la production primaire et de la respiration de la communauté microbienne sur les échanges de CO2 entre l'atmosphère et l'océan. Cette étude a premièrement permis de décrire les variations de l'étendue de glace de mer, de l'épaisseur de la couche d'ozone et de la température de surface de l'eau dans la WAP au cours des 30 dernières années (1972-2007) et notamment d'observer le retrait de plus en plus précoce de la glace de mer en relation avec le réchauffement des eaux de la WAP. L'évolution de ces paramètres environnementaux offre une nouvelle fenêtre temporelle de production primaire. Ainsi, cette étude a permis de montrer que la production primaire annuelle a augmenté de 1997 à 2007, et ceci, en relation avec l'anomalie de glace de l'hiver précédent. En effet, la production primaire journalière était négativement et positivement corrélée avec, respectivement, l'étendue de glace de mer et la température de l'eau de septembre à novembre et de février à mars, suggérant que le réchauffement régional de la WAP favorise plus de production primaire durant le printemps et l'automne. En revanche, le retrait précoce de la glace de mer en coïncidence avec l'apparition printanière du trou d'ozone a provoqué l'augmentation de la photoinhibition au printemps (avec 11,6 ± 2,8 % de la production primaire journalière en moyenne). En conséquence, le changement climatique régional de la WAP a, à la fois, un effet positif et un effet négatif sur la production primaire. Cette étude a également permis de décrire la dynamique de la communauté microbienne marine dans l'archipel de Melchior (dans la WAP) de l'automne au printemps 2006. En raison des conditions environnementales extrêmes, l'abondance et la biomasse de la communauté microbienne étaient faibles durant l'automne et l'hiver et dominées par les petites cellules (< 2 µm) et donc par un réseau trophique microbien. En effet, la biomasse phytoplanctonique était faible durant l'automne et l'hiver (avec une concentration moyenne en chlorophylle a, Chl-a, de 0,3 et 0,13 µg l-1, respectivement). La biomasse phytoplanctonique a augmenté au printemps (avec un maximum de Chl-a de 1,13 µg l-1), mais, en dépit des conditions de croissance favorables, est restée faible et le phytoplancton était toujours dominé par de petites cellules (2-20 µm) et donc par le réseau trophique microbien ou multivore. De plus, la disparition précoce de glace de mer durant le printemps 2006 a exposé les eaux de la WAP à de fortes radiations ultraviolettes B (RUVB, 280-320 nm), qui ont eu un effet négatif sur la communauté microbienne des eaux de surface. Cette étude a également mis en évidence la relation existante entre les échanges CO2 et d'O2 entre l'atmosphère et l'océan dans la WAP et la biomasse, la composition, la production primaire et la respiration de la communauté microbienne. Il existait tout d'abord une relation positive entre la concentration en Chl-a et la proportion de diatomées dans la communauté phytoplanctonique. De plus, il existait une corrélation négative significative entre la Chl-a et le ΔpCO2. La production primaire nette de la communauté (NCP) était principalement contrôlée par la production primaire et était négativement et positivement reliée avec le ΔpCO2 et le pourcentage de saturation de l'O2, respectivement, suggérant que la production primaire joue un rôle majeur dans les échanges de CO2 et d'O2 entre l'atmosphère et l'océan dans la WAP. Par ailleurs, le ΔpCO2 moyen au cours des trois années étudiées était de -20,04 ± 44,3 µatm, menant à un puits de CO2 potentiel durant l'été et l'automne dans la région. Le sud de la WAP était un puits potentiel de CO2 (-43,60 ± 39,06 µatm) durant l'automne alors que le nord de la WAP était principalement une source potentielle de CO2 durant l'été ou l'automne (-4,96 ± 37,6 et 21,71 ± 22,39 µatm, respectivement). Les plus fortes concentrations en Chl-a mesurées dans le sud de la WAP pourraient expliquer cette distribution spatiale. / Regional warming in the western Antarctic Peninsula (WAP), along with the expected decrease in sea-ice cover and the seasonal ozone layer breakdown could modify the composition and the structure of the microbial community. In addition, these environmental changes could modify the potential of the WAP as a CO2 sink. In this context, this thesis aimed at evaluating the combined effects of regional climatic changes on the primary production and the composition and structure of the microbial community in the WAP. In a second time, this thesis aimed at evaluating the role of the microbial community structure, composition, primary production and respiration on air-sea CO2 gas exchanges.First, the variations in sea-ice cover, stratospheric ozone layer thickness and sea surface temperature over the last 30 years (1972-2007) were described. Related to the warming of WAP waters, the retreat of sea-ice was happening earlier each decade in the WAP. The observed changes in these environmental parameters offer a new temporal window for primary production. Indeed, the annual primary production increased from 1997 to 2007, in relation with the sea-ice cover anomaly for the previous winter. In addition, daily primary production was negatively and positively correlated to, respectively, sea-ice cover and sea-water temperature from September to November and from February to March, suggesting that regional warming favoured more primary production during spring and fall. On the contrary, the early retreat of sea-ice in spring, in coincidence with the spring ozone layer breakdown, led to an increase in photoinhibition (with an average of 11.6 ± 2.8 % of the daily primary production being photoinhibited). Therefore, regional climatic changes in the WAP had both a positive and a negative impact on primary production.The microbial community variability was also described in the Melchior Archipelago (in the WAP) from fall to spring 2006. Because of the extreme environmental conditions, the microbial community abundance and biomass were low in fall and winter and the community was dominated by small cells (< 2 µm), hence by a microbial food-web. Indeed, phytoplanktonic biomass was low during fall and winter (with respective chlorophyll a concentration, Chl-a, of 0.3 and 0.13 µg l-1). Phytoplankton biomass increased in spring (with a maximum Chl-a of 1.13 µg l-1) but, despite favourable growth conditions, phytoplankton was still dominated by small cells (2-20 µm), hence by a microbial or multivorous food-web. In addition, the early retreat of sea-ice in the spring 2006 exposed the WAP waters to strong ultraviolet B radiations (UVBR, 280-320 nm) that had a negative impact on the microbial community in surface waters.Finally, the relationship between air-sea CO2 and O2 exchanges in the WAP with the phytoplankton community biomass and composition and with the microbial community primary production and respiration was described. A positive relationship existed between Chl-a and the proportion of diatoms in the phytoplankton community. In addition, a negative relationship existed between Chl-a and ΔpCO2. The net community production (NCP) was mainly controlled by primary production and was negatively and positively related to ΔpCO2 and the %O2 saturation, respectively, suggesting that primary production was the main driver of air-sea CO2 and O2 gas exchanges in the WAP. In addition, the average ΔpCO2 for the summers and falls 2002 to 2004 was -20.04 ± 44.3 µatm, leading to a potential CO2 sink during this period in the WAP. The southern WAP was a potential CO2 sink (-43.60 ± 39.06 µatm) during fall while the northern part of the Peninsula was mainly a potential CO2 source during summer and fall (-4.96 ± 37.6 and 21.71 ± 22.39 µatm, respectively). The higher Chl-a concentrations measured in the southern WAP may explain this spatial distribution.

Antarctic ice shelves control the ice flux from the continent to the ocean. As such, they play a major role in the stability of the ice sheet and its potential contribution to sea level rise, especially in the context of global change. Below some of these ice shelves, marine ice can be found which is a product of the Deep Thermohaline Circulation. Due to its specific genetic process, marine ice has intrinsic physical (grain size, ice fabric, bubble content, ) and chemical (impurities, water stable isotopes) properties, that differ from those of 'meteoric ice' formed on the continent through snow metamorphism or 'sea ice' resulting from sea water freezing at the ocean-atmosphere surface. Until now however, the effect of these specific properties on marine ice rheology is still very poorly understood.<p><p>The principal objective being to include realistic mechanical parameters for marine ice in ice shelf flow models, uniaxial compression experiments have been performed on various types of marine ice samples. Technical developments are an important component of this thesis has they were necessary to equip the laboratory with the appropriate tools (pneumatic rig, automatic ice fabric data handling).<p><p>Results from experimental compression on isotropic marine ice show that it represents the higher boundary for meteoric ice viscosity throughout the whole temperature range, thereby validating Cuffey and Paterson's relationship with an enhancement factor equals to 1.<p><p>Marine ice is however often quite anisotropic, showing elongated crystals and wide single maximum fabric, that should impact its mechanical properties. Experiments on pre-oriented marine ice samples have therefore been carried out combining the study of epsilon_{oct} vs. tau_{oct} with a thorough analysis of microstructural data 'before' and 'after' the experiment. <p><p>Depending on the orientation of the sample in the applied stress field and on the intensity of the latter, anisotropic marine ice can be harder or softer than its isotropic counterpart, with n=4 often observed in Glen's flow law. Associating the experimental geometrical settings to potential natural equivalent, results suggest that anisotropic marine ice would strengthen ice shelf flow in most areas (for a same given temperature), apart from suturing areas between individual ice streams as they merge to form the ice shelf, where it could become weaker than meteoric ice in certain circumstances.<p><p>Finally, preliminary sensitivity studies, using a simple ice shelf model with our experimental parameters of Glen's flow law have allowed us to discuss the potential impact of rift location, rift size and thermal regime in the ice shelf behavior. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans un contexte où le paysage Arctique change rapidement au même rythme que les cycles biogéochimiques, ce projet de recherche vise à développer un capteur optique pour mesurer la concentration en nitrate dans la glace de mer afin de mieux comprendre le flux de ce nutriment qui limite la croissance des algues. L'instrument développé sera conçu afin d'être facilement intégrable à une plateforme endoscopique multimodale permettant de caractériser la glace de mer. La spectroscopie Raman augmentée de surface et la spectroscopie d'absorption UV ont été étudiées afin de mesurer la concentration de nitrate directement dans la glace de mer. Suites aux études de faisabilité, un spectrophotomètre portable optimisé pour la détection des nitrates dans l'UV profond a été développé et caractérisé. Le système est basé sur UltraPath™, des cellules capillaires à guide d'onde liquide multi-parcours qui remplacent les cuvettes traditionnelles. Cette technologie, associée à un algorithme de résolution, incluant des corrections pour la température et la salinité ainsi que des étalonnages simples pouvant être effectués sur le terrain, a permis d'obtenir des mesures de concentrations fiables dans des environnements aqueux complexes. La méthode proposée a été testée en laboratoire sur des échantillons provenant de la mer du Labrador, de la rivière Churchill et de la baie de Baffin. Pour une plage de température allant de 4 à 23 °C et une plage de salinité allant de 0 à 90 g/kg, une justesse de 3 μm/L et une précision de 97 % sont rapportées, soit une justesse similaire et une meilleure précision que les instruments couramment utilisés pour mesurer le nitrate et basés sur la spectroscopie d'absorption UV. De ces faits, le spectrophotomètre à batterie décrit dans ce mémoire est une technique prometteuse pour la mesure du nitrate dans l'eau de mer et la glace de mer en temps réel.

La glace de mer saisonnière représente un environnement dynamique et biologiquement productif des régions polaires. La forte activité microbiologique associée à la glace de mer se traduit par une production de sulfure de diméthyle (DMS) souvent exceptionnelle. Le DMS est un gaz biogène soufré impliqué dans la régulation du climat via l’impact refroidissant de ses produits d’oxydation dans l’atmosphère. Cette thèse a pour objets d’étude la répartition et la dynamique du DMS dans la zone de banquise de première année en Arctique pendant la période de fonte printanière. L’ensemble des travaux de recherche présentés ici met en évidence l’ubiquité du DMS dans cet écosystème au coeur duquel la glace de première année exerce un rôle prépondérant. Mes résultats montrent que la communauté microbienne à la base de la banquise est à l’origine de concentrations de DMS parmi les plus élevées rapportées à ce jour dans les océans polaires. Ce réservoir de DMS dans la glace basale participe à l’enrichissement direct de l’océan sous la banquise, mais aussi potentiellement à un flux de DMS vers l’atmosphère. Suivant le déclin des algues de glace à la fin du printemps, les floraisons de phytoplancton sous la glace peuvent aussi être à l’origine d’une augmentation des concentrations océaniques de DMS. Mes résultats montrent que les mares de fonte qui se forment à la surface de la banquise représentent également des sources importantes de DMS pour l’atmosphère arctique. Les concentrations de DMS mesurées dans ces mares de fonte s’élevaient jusqu’à 12 nmol l-1, soit 4 fois la moyenne globale de l’océan de surface. Mes recherches indiquent que le potentiel de production du DMS par ces mares de fonte repose sur leur salinisation et leur ensemencement en algues via les canaux de saumures de la glace sous-jacente. Dans l’ensemble, les mesures effectuées au cours de cette thèse contribuent à mettre en évidence la diversité et l’importance des sources de DMS associées à la glace de première année au printemps en Arctique. Il est primordial d’inclure l’ensemble de ces flux de DMS de la banquise saisonnière dans les modèles climatiques régionaux et globaux. Enfin, mes résultats suggèrent que le remplacement graduel de la glace pluriannuelle par de la glace saisonnière résultera en une augmentation des émissions de DMS depuis la zone de glace saisonnière. / Seasonal sea ice represents a dynamic and episodically productive environment in the Polar Regions. This high biological productivity translates into the accumulation of exceptionally high concentrations of dimethyl sulfide (DMS). DMS is a biogenic sulfur-containing gas involved in the regional climate regulation through its influence on aerosols and clouds formation. This thesis focuses on DMS distribution and dynamics within the Arctic seasonal sea ice during the melt period. Together, my results highlight the ubiquity of DMS within the ice-associated ecosystem, and the determinant role played by sea ice in the DMS cycle in ice-covered regions. DMS concentrations reported in bottom sea ice are amongst the highest ever observed in polar oceans and throughout the marine environment. This pool of bottom ice-DMS enriches the under-ice ocean and potentially acts as a source of atmospheric DMS as it diffuses upward through interior sea ice. Following the decay of the sea ice algal bloom, phytoplankton growth under the ice may lead to a second increase of pelagic DMS concentrations. My results show that melt ponds that form atop sea ice following snow melt are also sources of DMS for the arctic atmosphere. Melt ponds were observed to accumulate DMS concentrations up to 12 nmol l-1, hence four-fold the global ocean surface average DMS concentration. Results from incubations experiments conducted during my thesis indicate that DMS production in melt ponds is initiated upon algal and salt intrusion via the underlying brine network during the melt season. Together, my results contribute to highlighting the importance and diversity of iceassociated DMS sources within the Arctic Ocean. DMS fluxes from seasonally ice-covered ocean should be accounted for in future global and regional models. Finally, my results suggest that gradual replacement of perennial sea ice with seasonal sea ice in the Arctic would result in an increase of DMS emission from the ice-covered ocean.

<p align="justify">The Southern Ocean (ca. 20% of the world ocean surface) is a key place for the regulation of Earth climate thanks to its capacity to absorb atmospheric carbon dioxide (CO2) by physico-chemical and biological mechanisms. The biological carbon pump is a major pathway of absorption of CO2 through which the CO2 incorporated into autotrophic microorganisms in surface waters is transferred to deep waters. This process is influenced by the extent of the primary production and by the intensity of the remineralization of organic matter along the water column. So, the annual cycle of sea ice, through its in situ production and remineralization processes but also, through the release of microorganisms, organic and inorganic nutrients (in particular iron)into the ocean has an impact on the carbon cycle of the Southern Ocean, notably by promoting the initiation of phytoplanktonic blooms at time of ice melting.</p><p><p align="justify">The present work focussed on the distribution of organic matter (OM) and its interactions with the microbial network (algae, bacteria and protozoa) in sea ice and ocean, with a special attention to the factors which regulate the biological carbon pump of the Southern Ocean. This thesis gathers data collected from a) late winter to summer in the Western Pacific sector, Western Weddell Sea and Bellingshausen Sea during three sea ice cruises ARISE, ISPOL-drifting station and SIMBA-drifting station and b) summer in the Sub-Antarctic and Polar Front Zone during the oceanographic cruise SAZ-Sense.</p><p><p align="justify">The sea ice covers were typical of first-year pack ice with thickness ranging between 0.3 and 1.2 m, and composed of granular and columnar ice. Sea ice temperature ranging between -8.9°C and -0.4°C, brines volume ranging between 2.9 to 28.2% and brines salinity from 10 to >100 were observed. These extreme physicochemical factors experienced by the microorganisms trapped into the semi-solid sea ice matrix therefore constitute an extreme change as compared to the open ocean. Sea ice algae were mainly composed of diatoms but autotrophic flagellates (such as dinoflagellates or Phaeocystis sp.) were also typically found in surface ice layers. Maximal algal biomass was usually observed in the bottom ice layers except during SIMBA where the maxima was localised in the top ice layers likely because of the snow and ice thickness which limit the light available in the ice cover. During early spring, the algal growth was controlled by the space availability (i.e. brine volume) while in spring/summer (ISPOL, SIMBA) the major nutrients availability inside sea ice may have controlled algal growth. At all seasons, high concentrations of dissolved and particulate organic matter were measured in sea ice as compared to the water column. Dissolved monomers (saccharides and amino acids) were accumulated in sea ice, in particular in winter. During spring and summer, polysaccharides constitute the main fraction of the dissolved saccharides pool. High concentrations of transparent exopolymeric particles (TEP), mainly constituted with saccharides, were present and their gel properties greatly influence the internal habitat of sea ice, by retaining the nutrients and by preventing the protozoa grazing pressure, inducing therefore an algal accumulation. The composition as well as the vertical distribution of OM in sea ice was linked to sea ice algae.</p><p><p align="justify">Besides, the distribution of microorganisms and organic compounds in the sea ice was also greatly influenced by the thermodynamics of the sea ice cover, as evidenced during a melting period for ISPOL and during a floodfreeze cycle for SIMBA. The bacteria distribution in the sea ice was not correlated with those of algae and organic matter. Indeed, the utilization of the accumulated organic matter by bacteria seemed to be limited by an external factor such as temperature, salinity or toxins rather than by the nature of the organic substrates, which are partly composed of labile monomeric saccharides. Thus the disconnection of the microbial loop leading to the OM accumulation was highlighted in sea ice.</p><p><p align="justify">In addition the biofilm formed by TEP was also involved in the retention of cells and other compounds(DOM, POM, and inorganic nutrients such as phosphate and iron) to the brine channels walls and thus in the timing of release of ice constituents when ice melts. The sequence of release in marginal ice zone, as studied in a microcosm experiments realized in controlled and trace-metal clean conditions, was likely favourable to the development of blooms in the marginal ice zone. Moreover microorganisms derived from sea ice (mainly <10 µm) seems able to thrive and grow in the water column as also the supply of organic nutrients and Fe seems to benefit to the pelagic microbial community.</p><p><p align="justify">Finally, the influence of the remineralization of organic matter by heterotrophic bacterioplankton on carbon export and biological carbon pump efficiency was investigated in the epipelagic (0-100 m) and mesopelagic(100-700 m) zones during the summer in the sub-Antarctic and Polar Front zones (SAZ and PFZ) of the Australian sector (Southern Ocean). Opposite to sea ice, bacterial biomass and activities followed Chl a and organic matter distributions. Bacterial abundance, biomass and activities drastically decreased below depths of 100-200 m. Nevertheless, depth-integrated rates through the thickness of the different water masses showed that the mesopelagic contribution of bacteria represents a non-negligible fraction, in particular in a diatom-dominated system./</p><p><br><p><p align="justify">L’océan Antarctique (± 20% de la surface totale des océans) est un endroit essentiel pour la régulation du climat de notre planète grâce à sa capacité d’absorber le dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique par des mécanismes physico-chimique et biologique. La pompe biologique à carbone est un processus majeur de fixation de CO2 par les organismes autotrophes à la surface de l’océan et de transfert de carbone organique vers le fond de l’océan. Ce processus est influencé par l’importance de la production primaire ainsi que par l’intensité de la reminéralisation de la matière organique dans la colonne d’eau. Ainsi, le cycle annuel de la glace via sa production/reminéralisation in situ mais aussi via l’ensemencement de l’océan avec des microorganismes et des nutriments organiques et inorganiques (en particulier le fer) a un impact sur le cycle du carbone dans l’Océan Antarctique, notamment en favorisant l’initiation d’efflorescences phytoplanctoniques dans la zone marginale de glace.</p><p><p align="justify">Plus précisément, nous avons étudié les interactions entre le réseau microbien (algues, bactéries et protozoaires) et la matière organique dans le but d’évaluer leurs impacts potentiels sur la pompe biologique de carbone dans l’Océan Austral. Deux écosystèmes différents ont été étudiés :la glace de mer et le milieu océanique grâce à des échantillons prélevés lors des campagnes de glace ARISE, ISPOL et SIMBA et lors de la campagne océanographique SAZ-Sense, couvrant une période allant de la fin de l’hiver à l’été.</p><p><p align="justify">La glace de mer est un environnement très particulier dans lequel les microorganismes planctoniques se trouvent piégés lors de la formation de la banquise et dans lesquels ils subissent des conditions extrêmes de température et de salinité, notamment. Les banquises en océan ouvert étudiées (0,3 à 1,2 m d’épaisseur, températures de -8.9°C à -0.4°C, volumes relatifs de saumure de 2.9 à 28.2% et salinités de saumures entre 10 et jusque >100) étaient composées de glace columnaire et granulaire. Les algues de glace étaient principalement des diatomées mais des flagellés autotrophes (tels que des dinoflagellés ou Phaeocystis sp.) ont été typiquement observés dans les couches de glace de surface. Les biomasses algales maximales se trouvaient généralement dans la couche de glace de fond sauf à SIMBA où les maxima se trouvaient en surface, probablement en raison de l’épaisseur des couches de neige et de glace, limitant la lumière disponible dans la colonne de glace. Au début du printemps, la croissance algale était contrôlée par l’espace disponible (càd le volume des saumures) tandis qu’au printemps/été, la disponibilité en nutriments majeurs a pu la contrôler. A toutes les saisons, des concentrations élevées en matière organique (MO) dissoute et particulaire on été mesurées dans la glace de mer par rapport à l’océan. Des monomères dissous (sucres et acides aminés) étaient accumulés dans la glace, surtout en hiver. Au printemps et été, les polysaccharides dissous dominaient le réservoir de sucres. La MO était présente sous forme de TEP qui par leurs propriétés de gel modifie l’habitat interne de la glace. Ce biofilm retient les nutriments et gêne le mouvement des microorganismes. La composition et la distribution de la MO dans la glace étaient en partie reliées aux algues de glace. De plus, la thermodynamique de la couverture de glace peut contrôler la distribution des microorganismes et de la MO, comme observé lors de la fonte de la glace à ISPOL et lors du refroidissement de la banquise à SIMBA. La distribution des bactéries n’est pas corrélée avec celle des algues et de la MO dans la glace. En effet, la consommation de la MO par les bactéries semble être limitée non pas par la nature chimique des substrats mais par un facteur extérieur affectant le métabolisme bactérien tel que la température, la salinité ou une toxine. Le dysfonctionnement de la boucle microbienne menant à l’accumulation de la MO dans la glace a donc été mis en évidence dans nos échantillons.</p><p><p align="justify">De plus, le biofilm formé par les TEP est aussi impliquée dans l’attachement des cellules et autres composés aux parois des canaux de saumure et donc dans la séquence de largage lors de la fonte. Cette séquence semble propice au développement d’efflorescences phytoplanctoniques dans la zone marginale de glace. Les microorganismes originaires de la glace (surtout ceux de taille < 10 μm) semblent capables de croître dans la colonne d’eau et l’apport en nutriments organiques et inorganiques apparaît favorable à la croissance des microorganismes pélagiques.</p><p><p align="justify">Enfin, l’influence des activités hétérotrophes sur l’export de carbone et l’efficacité de la pompe biologique à carbone a été évaluée dans la couche de surface (0-100 m) et mésopélagique (100-700 m) de l’océan. Au contraire de la glace, les biomasses et activités bactériennes suivaient les distributions de la chlorophyll a et de la MO. Elles diminuent fortement en dessous de 100-200 m, néanmoins les valeurs intégrées sur la hauteur de la colonne d’eau indiquent que la reminéralisation de la MO par les bactéries dans la zone mésopélagique est loin d’être négligeable, spécialement dans une région dominée par les diatomées.</p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished