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The first continous set of observations made over the seasonal cycle of the vertical structure and currents in the Clyde Sea, Scotland's largest fjord, are used to show that the vertical structure is controlled by a balance between mixing and stratifying processes within the basin, and exchange with the North Channel of the Irish Sea. Stratification was observed to change from being entirely saline in the winter to being thermally dominated in the summer. Deep water renewal occurred throughout the winter. The inflow rate peaked in the early spring and also in the summer, resulting in an annual mean flushing time of -3.5 months, in satisfactory agreement with previous estimates. Within the basin, a two layered flow structure was observed throughout the year, and a residual anti-cyclonic surface circulation was seen to be persistent. A 3- dimensional modelling study supports the hypothesis that this flow is driven by currents associated with the density gradients at the basin's mouth. A positive density difference across the sill is a necessary but not sufficient condition for deep water renewal; when the difference was maximum in the winter, the rate of exchange was below average. Renewal was generally episodic, which is suggestive of wind induced exchange. The 3-dimensional model confirmed that changes in the wind direction could substantially increase or diminish exchange by enhancing or blocking the estuarine circulation. Rapid renewals in the spring time of 1993 and 1994 were initiated by storm events. In the summer of 1993, persistently high rates of exchange were observed. 3-dimensional modelling supported the hypothesis that this was due to the presence of saline water over the sill, which results from the summer time retreat of the front at the mouth of the Clyde Sea due to low freshwater inflow. An existing 1- dimensional filling-box model was developed in the light of the new observations. It showed that significant entrainment of Clyde Sea bottom water into this summer inflow was a possible mechanism to explain the deep water properties in the summer. Mixing was found to be predominantly wind driven. A positive correlation was found between the wind and the amplitude of intemal oscillations at sub-tidal frequencies, which dominated the velocity field in winter. A mode 1 internal tide at the M2 frequency was observed, and had a horizontal velocity at the mooring sites of -2 cms-l throughout the year. The mixing associated with the internal tide was -0.01 mWm-2 , which is 2 orders of magnitUde lower than the wind mixing. The residual surface anti-cyclonic circulation prevents surface fresh water from entering the Kilbrannan Sound, which reduces the potential energy anomaly by -60 Jm-) relative to than that of the Arran Deep. Consequently, the wind induces relatively deeper mixing in the Kilbrannan Sound, which in the winter resulted in the reduction of the bottom water temperature without a significant decrease in salinity, and explains how the Clyde Sea bottom water may cool more rapidly than the deeper North Channel.

La circulation méridienne de retournement (MOC) de l’Atlantique Nord est une composante clé du système climatique global, via son rôle dans la redistribution de chaleur, d’eau douce et de propriétés chimiques entre hautes et basses latitudes. Aux moyennes et hautes latitudes, le Courant Nord-Atlantique(NAC) forme la branche haute de la MOC. Il s’écoule vers le nord-est à la frontière des gyres subpolaire et subtropical, et se divise en deux branches principales dans l’est du gyre subpolaire : une branche nord qui recircule vers l’ouest dans le gyre subpolaire et une branche sud qui alimente les mers Nordiques.Une simulation réaliste haute résolution (ORCA025-G70, 1/4°) est combinée à un outil d’analyse Lagrangienne pour étudier la variabilité de la MOC (1965-2004) à travers la section A25-Ovide qui joint le Portugal au Groenland. Deux cellules de retournement vertical sont identifiées : une cellule subtropicale connectant les hautes et basses latitudes et une cellule interne aux régions subpolaires. La variabilité décennale de la MOC est associée à des changements synchronisés des apports subtropical et subpolaire dans la NAC. Ce dernier subit d’importantes restructurations horizontales caractérisées par la variabilité opposée de ses deux branches. Ces modifications de la distribution horizontale du transport sont principalement régies par la variabilité de l’afflux subtropical.Les variations du transport de chaleur à travers A25-Ovide sont la cause principale de la variabilité du contenu de chaleur observée dans l’est du gyre subpolaire (1965-2004). La variabilité du transport de chaleur résulte d’un déséquilibre entre des changements opposés de ses composantes « vitesse » et « température ». Les anomalies de vitesse et température sont en partie reflétées dans des déplacements verticaux d’isopycnes, potentiellement associés à la proportion changeante de masses d’eau subtropicales et subpolaires transportées par la branche nord du NAC.Enfin, une circulation surface-fond moyenne calculée depuis des mesures hydrographiques répétées et des mesures altimétriques indique une contribution mineure de la mer du Labrador pour la MOC global. Cependant, l’intensité du retournement diapycnal à AR7W a presque diminué de moitié entres les 1990’s et les 2000’s, confirmant l’importance de la région pour la variabilité basse-fréquence de la MOC. / The meridional Overturning Circulation (MOC) of the North Atlantic ocean is a key component of the global climate system, through its role in redistributing heat, freshwater end chemical properties between low and high latitude regions. In mid-high latitude regions, the North Atlantic Current (NAC) forms the upper limb of the MOC. It flows northeastward at the subtropical/subpolar boundary, and splits into two main branches in the eastern subpolar gyre: a northern branch that recirculates within the subpolar region and a southern branch that feed the Nordic Seas.A realistic eddy-permitting simulation (ORCA025-G70, 1/4°) is combined with a Lagrangian analysis tool (ARIANE) to investigate the MOC variability (1965-2004) across the A25-Ovide line, which joins Greenland to Portugal. Two vertical overturning cells are identified: a subtropical cell connecting low and high latitudes (12Sv) and a cell internal to the subpolar gyre (4Sv). The decadal MOC variability is associated with synchronized transport changes of the subtropical and subpolar inflow within the NAC. The latter undergoes important horizontal restructuring with opposed transport changes of its northern and southern branches. Those horizontal transport changes are largely induced by the horizontal variability of the subtropical inflow.Changes in oceanic heat transport across A25-Ovide are largely responsible for the observed heat content changes in the eastern subpolar gyre (1965-2004). Heat transport variability at A25-Ovide results from an imbalance between opposed changes in its velocity and temperature components. Both temperature and velocity anomalies are partly reflected in large scale heaves of isopycnals, and potentially relate to the varying proportion of warm subtropical waters and cold subpolar waters advected within the northern NAC branch.A 2000’s mean full-depth circulation computed along the merged AR7W/A25-Ovide line from repeated hydrographic profile and altimetry data indicates a minor contribution of the Labrador Sea to the basin wide mean MOC. However, the strength of the diapycnal overturning at AR7W has almost halved between the 1990’s and the 2000’s, confirming the importance of the region for the low-frequency MOC Variability.

Cette thèse s’intéresse au courant profond de bord ouest dans l’Atlantique Nord, le Deep Western Boundary Current (DWBC). Ce courant transporte des eaux denses, formées dans la gyre subpolaire, vers l’équateur et constitue une des composantes majeures de la circulation méridienne Atlantique, l’AMOC (pour Atlantic Meridional Overturning Circulation). Cette circulation contribue au transport de chaleur vers les hautes latitudes et stabilise le climat actuel. L’AMOC calculée dans différents modèles de circulation générale de l’océan présente une diversité dans son intensité, sa structure spatiale et sa variabilité temporelle. De nombreux facteurs peuvent expliquer cette hétérogénéité de réponses, dont les incertitudes qui subsistent sur le lien entre la formation d’eau dense par convection dans la gyre subpolaire, qui contribue à connecter les branches supérieure et inférieure de l’AMOC, et l’intensité de l’AMOC aux moyennes latitudes. Ces incertitudes proviennent en grande partie d’une méconnaissance de la circulation profonde dans l’Atlantique Nord, car difficile à observer et souvent incorrecte dans les modèles d’océan de faible résolution spatiale.L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la dynamique du DWBC et son influence sur l’AMOC, à l’aide de simulations numériques réalistes d’un modèle de circulation générale de l’océan (NEMO). Dans cette optique, trois configurations de résolution horizontale croissante ont été mises en place en utilisant l’outil de raffinement de grille AGRIF : une grille globale de référencer à 1/2◦ de résolution (configuration ORCA), à laquelle a été ajouté une première grille raffinée à 1/8◦ couvrant l’Atlantique nord (configuration ERNA) incluant elle-même une seconde grille à 1/32◦ centrée sur la gyre subpolaire (configuration FER). ERNA et FER sont deux configurations originales, par la prise en compte du modèle de glace de mer dans l’emboîtement des grilles, et par la résolution horizontale de FER dans la gyre subpolaire.Dans un premier temps, nous étudions l’influence de la résolution horizontale sur la circulation moyenne en Atlantique Nord avec un intérêt particulier pour l’AMOC en contrastant les simulations issues des configurations ORCA et ERNA. L’augmentation de la résolution se traduit par l’amélioration de la dynamique des courants de bord ouest, en surface et également en profondeur. En effet, le transport du DWBC s’intensifie de l’ordre de 8Sv dans la gyre subpolaire, ce qui est en partie lié à une meilleure représentation de l’écoulement des eaux denses en provenance des Mers Nordiques. En outre, alors que dans ORCA le DWBC s’écoule vers le sud principalement le long de la ride médio-Atlantique, dans ERNA la route le long du bord ouest est privilégiée avec une circulation secondaire à l’intérieur de l’inetrgyre, ce qui est en meilleur accord avec les observations. Le chemin suivi par le DWBC le long du talus continental permet une intensification de l’AMOC et de la localisation de son maximum vers 35 ̊N. Ce résultat tend à réduire l’influence de la convection aux hautes latitudes sur l’intensité de l4AMOC par l’intermédiaire de l’interaction des courants de surface et de fond.Nous nous sommes intéressés par la suite à la structure dynamique et thermohaline du DWBC, en lien avec la représentation de la méso-échelle, dans la mer du Labrador, en utilisant la configuration FER. Dans cette configuration qui résout explicitement les processus de méso-échelle dans la gyre subpolaire, la dérive en température et salinité est nettement moins importante que dans ERNA. De plus, la structure verticale du courant de bord, notamment sa barotropisation entre l’est et l’ouest sde la section AR7W dans la mer du Labrador, est en très bon accord avec les observations. A partir d’une équation simplifiée de la vorticité relative, nous avons cherché à identifier les processus principaux qui contrôlent la dynamique du DWBC. Il ressort de cette analyse que le stretching associé aux vitesses […] / The present study tackles the Deep Western Boundary Current (DWBC) dynamics in the North Atlantic basin as its impact on the AMOC. The DWBC advects dense water masses equatorward, produced in the subpolar gyre, and is one of the major component of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). This circulation contributes to the northward heat transport to high latitudes and allows to stabilise climate. When computing the AMOC in different ocean general circulation models (OGCM), results cover a wide range of intensity, spatial shape and temporal variability. Such response diversity is due to several factors. One of them is the remaining uncertainty on the link between dense water formation due to convection in the subpolar gyre, which contributes to connect the AMOC upper and lower branches, and the AMOC intensity at mid-latitudes. Those uncertainties are largely due to the knowledge gap of the deep circulation in North Atlantic because its direct observation is difficult and incorrectly reproduced in ocean models with a low spatial resolution. The methodology used rely on realistic numerical simulations based on the NEMO ocean general circulation model. Three configurations with an increasing spatial resolution have been developped using the grid refinement tool AGRIF : a global grid at 1/2◦ resolution (ORCA configuration), within which a first refined grid at 1/8◦ covering the whole North Atlantic (ERNA configuration) in which a second grid at 1/32◦ over the subpolar gyre (FER configuration). Both ERNA and FER are advanced and original by two aspects; they include a Sea-Ice model within embedded grids and FER reaches a high horizontal resolution over the subpolar gyre. We study the spatial horizontal resolution impact on the mean circulation in the North Atlantic with a focus on the AMOC contrasting simulations obtained with ORCA and ERNA solutions. Increasing the resolution improves the western boundary current dynamics at surface and depth. Indeed, the DWBC transport is intensified by 8Sv in the subpolar gyre partly due to a better representation of overflows coming from Nordic Seas through the Denmark Strait. Furthermore in ORCA the DWBC flows to the south along the Mid-Atlantic ridge ; in ERNA the flow along western continental shelf is dominant while a secondary circulation within the subpolar gyre arises being in better agreement with observations. The path followed by the DWBC along the continental shelf allows an interaction between surface and deep currents which seems to result both in an AMOC intensification and a maxima located close to 35 ̊N. This result tends to limit the influence of the convection, occuring at high latitudes, on the AMOC intensity at mid latitudes, often raised, and shed light on a modulation process of the AMOC intensity through the surface and deep currents interaction. We then addressed the thermohaline and the dynamical structure of the DWBC, asssocia- ted with the mesoscale representation, within the Labrador Sea using the FER configuration. With this configuration, which solved explicitly mesoscale eddies in the subpolar gyre, tempera- ture and salinity drift are clearly reduced compare to ERNA. Furthermore the vertical DWBC structure, especially its barotropisation from the eatstern to western side of the AR7W section within the Labrador Sea, is in very good agrement with observations. Using a simplified equation for relative vorticity, we try to identify the main processes handling the DWBC dynamics. The analysis reveals that the stretching associated with vertical velocities above topography and exchanges between isopycnal layers within boundary current dominate the vorticity balance. We also identify two areas within the DWBC where diapynal flux occur : along the Labrador Current on the western side of the Labrador Sea and seaward of Cape Desolation where eddy activity is marked. These results are close to two previous studies based on conceptual model and […]

L’objectif de ce travail était d’étudier la variabilité de la circulation océanique méridienne aux échelles de temps pluri décennales dans l’océan Atlantique nord au cours des deux mille dernières années, ainsi que son lien avec la variation de l’extension des gyres subtropicales et subpolaires. J’ai donc étudié, à partir de carottes de sédiments marins à fort taux de sédimentation, l’évolution de la température des eaux de surface et de la stratification de la colonne d’eau en lien avec le fonctionnement des gyres subpolaire et subtropicale.Compte tenu des difficultés spécifiques à la période de temps considérée, la première partie de mon travail a consisté à contraindre le milieu et la période de calcification des principaux foraminifères utilisés, à partir de la composition isotopique de l’oxygène analysée dans la coquille des foraminifères planctoniques. J’ai également précisé la calibration en Magnésium et en Calcium en fonction de la température. La deuxième partie de mon travail a consisté à reconstruire les conditions hydrologiques dans des zones clés de l’océan Atlantique Nord sur les deux mille dernières années. J’ai ainsi construit un index de la gyre subpolaire à partir d’un gradient de température Est-Ouest, qui traduit l’intensité dynamique de la gyre subpolaire et de la gyre subtropicale. L’apport de l’analyse des foraminifères planctoniques profonds a permis de reconstituer les variations de la colonne d’eau supérieure. La stratification plus ou moins marquée de la colonne d’eau est reliée directement à l’intensité des vents d’Ouest. Les similitudes entre les vents et l’index de gyre m’ont amené à proposer un couplage entre l’océan et l’atmosphère aux échelles de temps pluri décennales.La dernière partie de ma thèse s’est focalisée sur les conséquences des variations de la dynamique des gyres océaniques sur le transport de chaleur vers les hautes latitudes ainsi que sur l’impact des variations des vents d’Ouest sur le climat européen. / The purpose of this thesis was to study the surface oceanic circulation in the North Atlantic Ocean during the last 2,000 years, and its link with the intensity of the subpolar and the subtropical gyres. To fulfill these objectives, I studied sediment cores with a high sedimentation rate to reconstruct the multidecadal variability of the temperature and the water column stratification, controlled by the dynamic of oceanic gyres. To improve the marine paleoclimatic signal recorded from planktonic foraminifera, I constrained their growing season and their calcification depth by analyzing the oxygen isotopic composition of their calcitic shells. I also established calibrations between Mg/Ca ratio and temperature for the main species used.I applied these calibrations to reconstruct the hydrological conditions in key areas of the North Atlantic Ocean. I constructed an index of the subpolar gyre that traduces the dynamic intensity of the subpolar gyre and the subtropical gyre. I also studied the variability of the upper water column based on the analysis of deep-dwelling foraminifera. I interpret past changes in the water column stratification as resulting from changes in the intensity of Westerly winds. The similarities between the wind forcing evolution and the index of the subpolar gyre dynamics led me to propose a coupling between the ocean and the atmosphere on the multidecadal time scale. The consequences of the gyres dynamic on heat transport and the impacts of the change in westerly wind strength on European climate are studied in the last part of the manuscript.

La dorsale de Reykjanes est une structure topographique majeure de l’océan Atlantique Nord qui s’étend de l’Islande à la zone de fracture de Charlie Gibbs. Située entre le bassin d’Islande et la mer d’Irminger, la dorsale de Reykjanes influence fortement la circulation du gyre subpolaire et est une porte d’entrée vers les zones de convection profondes. Cependant, la circulation et la répartition des masses d’eau à travers la dorsale de Reykjanes n’ont jamais été directement quantifiées, de sorte que la caractérisation de la connexion entre le bassin d’Islande et la mer d’Irminger est encore incomplète. Dans le cadre du projet « Reykjanes Ridge Experiment », nous avons été capables d’analyser la circulation autour, au-dessus et à travers la dorsale de Reykjanes. Essentiellement à partir de sections hydrographiques perpendiculaires et le long de l’axe de la dorsale, l’objectif de cette thèse a été de quantifier et caractériser la circulation 3-D et les propriétés des courants qui longent et traversent la dorsale de Reykjanes. Nous avons commencé par quantifier précisément le transport géostrophique à travers les sections, ce qui a permis d’améliorer le traitement des données S-ADCP. A travers la dorsale de Reykjanes, l’intensité de la branche du gyre subpolaire qui rejoint la mer d’Irminger a été estimée à 21.9 + 2.5 Sv en Juin – Juillet, avec des intensifications dans la zone de fracture Bight (BFZ) et à 59 – 62°N. Dans la BFZ, les masses d’eau profondes sont influencées par la bathymétrie, de sorte que leurs propriétés hydrologiques se modifient lorsqu’elles traversent la dorsale de Reykjanes. Enfin, la bathymétrie et la circulation horizontale cyclonique du bassin d’Islande contrôlent les courants qui longent la dorsale en bloquant certaines masses d’eau, et donc sont à l’origine de la répartition de ces masses d’eau le long de la dorsale. En plus des masses d’eau du Bassin d’Islande, le Courant d’Irminger comprend également des masses d’eau qui proviennent de la mer d’Irminger. / The Reykjanes Ridge is a major topographic feature of the North-Atlantic Ocean that extends from Iceland to the Charlie Gibbs Fracture Zone. Located between the Iceland Basin and the Irminger Sea, the Reykjanes Ridge strongly influences the subpolar gyre circulation and is a gate toward the deep convection areas. However, the circulation and distribution across the Reykjanes Ridge has never been directly quantified such that the characterization of the connection between the Iceland Basin and the Irminger Sea is still incomplete. As part of the Reykjanes Ridge Experiment project, we were able to analyze the circulation around, above and across the Reykjanes Ridge. Mainly based on hydrographic sections along and perpendicular to the ridge axis, the aim of this PhD thesis was thus to characterize the 3-D circulation and properties of the flow along and across the Reykjanes Ridge.We started by accurately quantifying geostrophic transports across the sections, which led to improvements in the treatment of S-ADCP data. Across the Reykjanes Ridge, the intensity of the wesward branch of the subpolar gyre was estimated at21.9 + 2.5 Sv in June – July 2015 with intensifications at the Bight Fracture Zone (BFZ) and at 59 – 62°N. At the BFZ, overflow waters are influenced by the bathymetry such as their hydrological properties evolve as they cross the Reykjanes Ridge. Finally, both the bathymetry and the cyclonic horizontal circulation of the Iceland Basin regulate the evoluton of the along-ridge flows by blocking water masses, and thus shaping the water mass distribution over the Reykjanes Ridge. In addition to waters from the crossridge flow, the Irminger Current incorporates waters from the center of the Irminger Sea.

The transition between the South Atlantic and the Southern Ocean is marked by a frontal system that includes both the South Atlantic Current and the Antarctic Circumpolar Current (ACC). In the eastern part of the basin the latitudinal position of the fronts that compose this system is thought to control the input of warm waters into the Atlantic basin through the Agulhas Leakage. Changes in the Subtropical and Polar regimes associated with the system that marks the boundary between the Subtropical Gyre and the ACC are investigated using the simulation results of the ocean component of the National Center for Atmospheric Research (NCAR) Community Earth System Model (CESM), POP2. Sea surface height gradients and specific contours are used to identify and track the ocean fronts position. We compare the Subtropical Front position at the eastern edge of the South Atlantic to changes in temperature and salinity, as well as Agulhas Current transports and the overlying wind field, in order to determine what could be driving frontal variability at this region and its consequences to volume transport from the Indian into the Atlantic. Results suggest that the Subtropical Front is not the southern boundary of the subtropical gyre, but it responds to changes in the \"Supergyre\", especially the Indian Ocean Subtropical Gyre expansion. / A transição entre os oceanos Atlântico Sul e Austral é marcada por um sistema frontal que inclui tanto a Corrente do Atlântico Sul quanto a Corrente Circumpolar Antártica (CCA). Na porção oeste da bacia, acredita-se que a posição meridional das frentes que compõem este sistema controla o aporte de águas quentes para o Atlântico pelo Vazamento das Agulhas. Mudanças nos regimes subtropical e polar associadas ao sistema que marca o limite entre o giro subtropical e a CCA são investigadas através dos resultados da componente oceânica do modelo do National Center for Atmospheric Research (NCAR), o Community Earth System Model (CESM). O gradiente meridional, bem como valores específicos de altura da superfície do mar são usados para identificar e acompanhar a posição destas frentes oceânicas. A comparação da posição da Frente Subtropical no limite leste do Atlântico Sul com as mudanças na temperatura e salinidade, assim como no transporte da Corrente das Agulhas e do campo de ventos sobrejacente, é feita para determinar quais as forçantes da variabilidade frontal nesta região e suas consequências no transporte de volume entre o Índico e o Atlântico. Resultados sugerem que a Frente Subtropical não é o limite sul do giro subtropical, mas responde às mudanças no \"Supergiro\", especialmente à expansão do Giro Subtropical do Oceano Índico.

L'objectif de ce travail était d'étudier la variabilité de la circulation océanique méridienne aux échelles de temps pluri décennales dans l'océan Atlantique nord au cours des deux mille dernières années, ainsi que son lien avec la variation de l'extension des gyres subtropicales et subpolaires. J'ai donc étudié, à partir de carottes de sédiments marins à fort taux de sédimentation, l'évolution de la température des eaux de surface et de la stratification de la colonne d'eau en lien avec le fonctionnement des gyres subpolaire et subtropicale.Compte tenu des difficultés spécifiques à la période de temps considérée, la première partie de mon travail a consisté à contraindre le milieu et la période de calcification des principaux foraminifères utilisés, à partir de la composition isotopique de l'oxygène analysée dans la coquille des foraminifères planctoniques. J'ai également précisé la calibration en Magnésium et en Calcium en fonction de la température. La deuxième partie de mon travail a consisté à reconstruire les conditions hydrologiques dans des zones clés de l'océan Atlantique Nord sur les deux mille dernières années. J'ai ainsi construit un index de la gyre subpolaire à partir d'un gradient de température Est-Ouest, qui traduit l'intensité dynamique de la gyre subpolaire et de la gyre subtropicale. L'apport de l'analyse des foraminifères planctoniques profonds a permis de reconstituer les variations de la colonne d'eau supérieure. La stratification plus ou moins marquée de la colonne d'eau est reliée directement à l'intensité des vents d'Ouest. Les similitudes entre les vents et l'index de gyre m'ont amené à proposer un couplage entre l'océan et l'atmosphère aux échelles de temps pluri décennales.La dernière partie de ma thèse s'est focalisée sur les conséquences des variations de la dynamique des gyres océaniques sur le transport de chaleur vers les hautes latitudes ainsi que sur l'impact des variations des vents d'Ouest sur le climat européen.

In the North Pacific Subtropical Gyre, a nearly-annual phytoplankton bloom forms near the subtropical front at ~30° N. Mixed communities of nitrogen-fixing diatom symbioses (diatom-diazotroph associations) increase 10²-10³ fold in these blooms. In July 2008 (31.46˚N 140.49˚W) and August 2009 (25.18 °N 154 °W), two blooms were sampled to determine diatom-diazotroph association species composition, physical, and chemical characteristics of the water column. In both 2008 and 2009, the dominant diatom-diazotroph association was the Hemiaulus hauckii-Richelia intracellularis symbiosis. The 2009 subtropical front bloom was missed; however, another bloom closer to Hawaii was sampled where diatom-diazotroph association abundance was 10-fold lower (10² cells Lˉ¹) than 2008 despite surface chlorophyll a values that were 3 times greater. Both blooms showed substantial changes in phytoplankton size structure with the >10 μm size chlorophyll a fraction increasing from 10 to 40 % in 2008. In the 2009 bloom, the non-symbiotic pennate diatom Mastogloia woodiana numerically dominated (>150,000 cells Lˉ¹) and formed aggregates that resulted in substantially higher % of netplankton chlorophyll a fractions. Summer open ocean blooms from the two years share a common trend of Hemiaulus dominance of the diatom-diazotroph association population and size structure changes. However, non-symbiotic species can dominate the overall bloom, and diatom-diazotroph association species may not be responsible for the chlorophyll a increase. These two years may represent different types of blooms or temporal changes within summer diatom blooms. The increased biomass in the larger-size fraction suggests these blooms are potential sites for carbon export from the surface layer. / text

Pelagic clays cover nearly one half of the ocean floor, but are rarely used for paleoceanographic research because of their extremely slow sedimentation rates, post-depositional alteration(s), and the lack of biogenic material available to provide ages. My dissertation develops and applies approaches to study pelagic clays by targeting the largest marine sediment province in the world: the South Pacific Gyre (SPG). I present an unprecedented spatially and temporally extensive paleoceanographic history of the SPG and discuss authigenic processes in pelagic clays that are linked to changes in global seawater composition through the Cenozoic. My research was based on an extensive inorganic geochemical dataset I developed from samples gathered during Integrated Ocean Drilling Program Expedition 329. I applied multivariate statistical techniques (e.g., Q-mode factor analysis and constrained least squares multiple linear regression (CLS)) to the dataset in order to (a) identify the existence of six end-members in pelagic clay (namely, eolian dust, Fe/Mn-oxyhydroxides, apatite, excess Si, and two types of volcanic ash), (b) quantify their abundances, (c) determine their mass accumulation rates, and (d) infer major features in the paleoceanographic evolution of the SPG. Key parts of my research also developed improved MATLAB codes to facilitate and speed the search for best fitting end-member combinations in CLS modeling. Additionally, I expanded the natural gamma radiation instrumental capabilities on the D/V JOIDES Resolution to quantify concentrations of uranium, thorium, and potassium. I dated the pelagic clay at four of the IODP sites with a cobalt-based age model that I developed, and documented that the seawater behavior of cobalt determines the extent to which this method can be applied. Collectively, the results track the spatial extent of dust deposition in the SPG during the aridification of Australia, dispersed ash accumulation from episodes of Southern Hemisphere volcanism, and other features of Earth’s evolution during the Cenozoic. I further quantified two geochemically distinct types of authigenic ash alterations within the pelagic clay, indicating that altered ashes may be a significant and variable sink of magnesium in seawater over geologic timescales.