Perspectives - Le rôle du pacifique tropical sud-ouest dans la fertilisation du pacifique équat

tensément les côtes du Golfe de Papouasie que les premières, entrant en majorité dans

la Mer de Corail via le Jet Nord du Vanuatu (NVJ). Par ailleurs, les eaux de la thermocline s’écoulant le long de la côte de PNG à 3˚S seraient en majorité formées par des eaux ayant transitées via le Détroit de Vitiaz dans le NGCU. En couplant ces résultats aux valeurs de compositions isotopiques et de concentrations en Nd, nous avons pu déterminer certaines zones d’enrichissement de la thermocline transitant par les WBCs sud, entre leurs régions de subduction et l’amont de l’EUC. Ainsi, nous avons suggéré un enrichissement proba-

ble des eaux de la thermocline supérieure principalement le long des côtes des îles du Pacifique Tropical Sud (e.g. Polynésie Française, Fiji, Samoa, Vanuatu). En revanche, nous manquons de données pour déterminer les régions impliquant l’appauvrissement net de Nd dans les eaux de la thermocline inférieure en amont de la Mer des Salomon et nous espérons que ce manque de données sera en partie comblé par de nouvelles mesures issues de futures campagnes GEOTRACES. Dans la Mer de Bismarck, les eaux de la thermocline supérieure sont appauvries en Nd dissous au cours de leur trajet le long de la côte de PNG et pourraient subir l’influence de la rivière Sépik, alliée à une bathymétrie faite de canyons, favorable à la formation de couches fortement concentrées en particules. Une soustraction similaire a aussi été observée par 3000 m de fond le long de la pente des îles Kerguelen, et attribuée à des néphéloïdes. Á l’inverse, nos résultats suggèrent un enrichissement des CW en Nd dissous

le long des côtes de PNG, ce qui soulève de nouvelles questions vis-à-vis des processus et de la cinétique d’échange dissous/particule et met en évidence la complexité de la relation entre transport d’une masse d’eau et enrichissement géochimique. Cet enrichissement de la thermocline inférieure dans la Mer de Bismarck réalimente la discussion concernant le rôle

crucial des marges de la PNG dans l’enrichissement géochimique des eaux alimentant la langue d’eau froide équatoriale. Ce couplage nous a permis d’affiner la quantification du « boundary exchange », bien que le défi soit ample, du fait, notamment, de la différence de résolution temporelle et spatiale des traceurs virtuel et réel.

6.2 Perspectives

Les résultats obtenus au cours de cette thèse participent à améliorer nos connaissances concernant l’alimentation du Sous-Courant Équatorial (EUC) du Pacifique, tant d’un point de vue physique que géochimique. Ils affinent notre compréhension du rôle joué par les LLWBC dans l’alimentation de l’EUC et précisent les échanges océan-continent, tout en of- frant une vision relativement grande échelle de la physique et de la géochimie du Pacifique Tropical Sud-Ouest. Ces résultats ouvrent de nombreuses perspectives de recherche.

Un des objectifs importants dans la compréhension de la dynamique et de l’enrichissement géochimique de l’EUC et de leurs impacts sur le climat concerne la compréhen- sion des variabilités saisonnières et inter-annuelles des sources de l’EUC. Ces vari- abilités peuvent en effet impacter les propriétés et l’enrichissement de la langue d’eau

froide équatoriale[Gorgues et al., 2010]. Durant la campagne océanographique PANDORA

(Mer des Salomon, juillet 2012, R/V Atalante, P. I. Gérard Eldin,http ://www.legos.obs-

mip.fr/evenements/campagnes-en-mer/pandora-2012), 11 mouillages ont été déployés : 3

dans le Détroit de Vitiaz, 2 dans le Chenal St Georges, 4 dans le Détroit des Salomon et 2 à l’entrée de la Mer des Salomon. Ces mouillages vont permettre de mesurer la variabilité

des courants des différents LLWBC sur du long terme (18 mois) et vont aider à valider les modèles ainsi qu’à les contraindre. Mes travaux de thèse ont aussi mis en évidence un besoin de mesures dans le Courant de Mindanao (MC). Il participe à 20% de l’EUC à 140˚W et joue un rôle fondamental dans l’apport d’eaux douces à la langue d’eau froide équatoriale. La caractérisation de sa dynamique et de sa géochimie compte parmi les objectifs de plusieurs programmes internationaux : le récent programme international NPOCE

(http ://npoce.qdio.ac.cn/) et le programme GEOTRACES (http :// www.geotraces.org).

Deux sections, une le long de 10˚N entre 125˚E et 165˚E et l’autre le long des bords Ouest, entre 0 et 20˚N, devraient faire l’objet d’une future campagne en mer (voir la section GP09

surhttp ://www.bodc.ac.uk/geotraces/cruises/section_maps/pacific_ocean/). Les obser-

vations du MC permettront de mieux contraindre l’alimentation de l’EUC et de préciser le rôle de ce LLWBC dans l’enrichissement géochimique de l’EUC. La variabilité du transport trimestriel des sources de l’EUC issu de mon étude de l’alimentation de l’EUC est présentée sur la figure 6.1. Melet et al. [2010b] et Davis et al. [2012] ont montré l’augmentation du transport dans les Détroit de Vitiaz et des Salomon lors d’évènements El Niño. Notre modèle propose une forte diminution du transport des LLWBCs qui alimentent l’EUC, durant ces mêmes évènements (fig. 6.1, courbes rouge, orange et jaune). Par conséquent, quel est le de- venir du surplus d’eau transporté par les LLWBCs ? La thèse d’Antoine Babonneix, en cours de réalisation au Laboratoire d’Études en Géophysique et Océanographie Spatiales (LEGOS, Toulouse), s’intéresse à l’étude de cette variabilité temporelle de l’alimentation de l’EUC. Il utilise un modèle global au 1

12˚ dans lequel sera par la suite imbriqué le modèle régional de la Mer des Salomon de Natacha Bughsin Djath, de plus haute résolution ( 1

36˚). Les travaux d’Antoine permettront notamment d’observer l’impact d’évènements El Niño/La Niña sur

le transports des sources de l’EUC.

Concernant le mélange que subissent les sources de l’EUC dans le Pacifique Tropical Ouest, des études en cours cherchent à évaluer le rôle joué par la méso-échelle. Natacha Bughsin Djath réalise actuellement au Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Indus-

6.2 Perspectives

FIGURE6.1– Variation trimestrielle du transport des sources de l’EUC à 140˚W, entre 1982 et 2001, issue des résultats de Grenier et al. [2011]. Haut : Variation de transport de l’EUC total (axe droit des ordonnées, en Sv) ainsi que de ses sources transitant par les LLWBCs (axe gauche des ordonnées, en Sv). Centre : Variation de transport des apports intérieurs, comparées à la variation de transport des eaux issues du Détroit de Vitiaz, prises comme référence des LLWBCs. Bas : Similairement, variation de transport des eaux recirculant dans la couche supérieure et la couche inférieure de l’EUC, comparées à la variation de transport des eaux issues du Détroit de Vitiaz.

triels (LEGI, Grenoble) un modèle régional de la circulation océanique dans la Mer des Sa- lomon à haute résolution ( 1

36˚). Les validations du modèle sont en cours de réalisation et les simulations seront prochainement utilisées pour documenter les variations temporelles de la circulation dans la Mer des Salomon. Le travail de Natacha permettra notamment d’ob- server l’impact de la résolution de la méso-échelle sur la distribution du transport dans les détroits de la Mer des Salomon et sur l’évolution des propriétés physiques des masses d’eau. L’approche lagrangienne a montré un intérêt certain pour l’élaboration de la stratégie

d’échantillonnage de campagnes en mer, en particulier pour celles visant la collecte

d’échantillons géochimiques. En effet, si la quantité d’observations géochimiques des océans est significativement plus pauvre que celle d’observations de la salinité, de la température, de l’oxygène ou des éléments nutritifs, c’est parce que nombre d’entre elles demandent des conditions de prélèvements et de mesures complexes et longues et imposent une limitation du nombre d’échantillons durant la campagne en mer1. Il est donc crucial de prélever les échantillons au bon endroit et à la bonne profondeur pour faciliter leur interprétation et permettre de répondre à la problématique posée. Les analyses lagrangiennes permettent de simuler de nombreuses expériences et de discerner au mieux les régions clefs à documenter. Dans le cadre de la campagne en mer PANDORA, nous avons couplé nos connaissances issues des données et des modèles pour collecter nos échantillons au cœur des jets, aux pro- fondeurs des propriétés caractéristiques de chaque masse d’eau échantillonnée. Nous avons ainsi prélevé et filtré de façon ciblée près de 200 échantillons destinés à la mesure des REE et du Nd, dissous et particulaires. Cette nouvelle manne d’information permettra de confirmer ou d’infirmer les conclusions du présent travail. Elles permettront en particulier de mieux suivre les processus conduisant à l’enrichissement /appauvrissement des différentes masses d’eau à l’intérieur de la Mer des Salomon.

La campagne PANDORA s’inscrit au cœur des programmes GEOTRACES et SPICE. Du- rant cette campagne, 112 stations CTD dont 13 stations géochimiques ainsi que 6 profils de pompes in situ ont été réalisés. Au total, plus de 100 paramètres dont de nombreux traceurs vont documenter cette région clef du Pacifique Tropical Ouest. Au delà des REE et du Nd qui font l’objet de cette thèse, l’analyse multi-traceurs qui pourra en découler représente une source riche d’informations qui permettra de mieux contraindre notre compréhension con-

1. Pour exemple, le radium et le néodyme. Le radium est présent en infime quantité dans l’eau de mer et chaque échantillon nécessite la collecte d’une centaine de litres d’eau de mer. Certains de ses isotopes sont très courts (quelques jours) et leur mesure doit être effectuée directement à bord, l’un après l’autre. Le néodyme dissous est un peu plus concentré mais nécessite tout de même la collecte de 10 à 20 litres d’eau de mer par échantillon. Il demande un prélèvement propre et les échantillons doivent être préconcentrés rapidement pour libérer les bidons de prélèvements et permettre la collecte d’un plus grand nombre d’échantillons. La salinité, l’oxygène, la température et les sels nutritifs demandent de plus petits volumes et leur prélèvement ne demande pas de conditions de propreté particulières. De plus, des capteurs de température, de salinité et d’oxygène sont maintenant montés sur les rosettes de prélèvement et permettent de tracer les profils verticaux complets.

6.2 Perspectives

cernant les processus chimiques et physiques d’échange dissous/particule. En particulier, les isotopes et concentrations de fer ont été collectés à une fréquence proche de celle des REE et du Nd, ainsi que le radium. Marie Labatut et Virginie Sanial, réalisant actuellement leur thèse au LEGOS sur l’étude du fer isotopique et du radium dans l’eau de mer, respec- tivement, confronteront les résultats de leurs mesures des échantillons de fer et de radium de cette région. Finalement, les mouillages et les mesures géochimiques vont fortement par- ticiper à enrichir la documentation de la Mer des Salomon et permettre d’avoir une vision à plus fine échelle de l’enrichissement géochimique des masses d’eau dans ce bassin.

L’étude des échanges dissous/particules et des processus d’érosion de la matière est actuellement au cœur de nombreux débats. L’amélioration des techniques d’extraction et l’augmentation de la sensibilité et de la précision des mesures complexifient l’interprétation des données géochimiques. Par exemple, les mesures de concentrations de REE font appa- raître des formes de spectres de plus en plus diversifiées, révélant de nombreuses anomalies dont l’interprétation est délicate [Grenier et al., 2013; Garcia-Solsona et al., in prep.]. Pour tenter de mieux comprendre les processus d’échange entre la matière et l’eau de mer, entre conti- nents et océans, des expériences récentes ont été menées en laboratoire [Jones et al., 2012a,b; Pearce et al., 2013]. Elles ont consisté à immerger des sédiments et des sables dans de l’eau de mer et à mesurer régulièrement la composition isotopique et la concentration de différents éléments chimiques. Toutes ces études ont montré une rapide dissolution de plusieurs élé-

ments chimiques vers l’eau, notamment le Nd et la silice. La cinétique a souvent été d’une rapidité inattendue. Étonnamment, les ordres de grandeurs des taux de dissolutions ob- servés pour le strontium, très soluble, et le Nd, beaucoup moins soluble, sont comparables, ce qui suggère que c’est bien une fraction solide de matière qui se dissout et non l’élément qui quitte la particule. La silice est nécessaire à la photosynthèse et il est par conséquent crucial de bien contraindre son cycle dans l’océan. Les flux d’échanges aux marges qu’incarne le « boundary exchange » ne sont pour l’instant pas pris en compte dans les modèles du cycle du carbone. Pourtant, l’apport de silice par ce flux serait à priori conséquent [Jeandel et al., 2011; Jones et al., 2012a] et pourrait modifier de façon notable la quantification des

concentrations de carbone des différents réservoirs.

Enfin, mes résultats de thèse mettent en évidence le déséquilibre entre la résolu-

tion spatiale et temporelle des données géochimiques et des sorties de modèle. Le taux d’acquisition de données géochimiques est infime comparé aux informations fournies par les modèles de circulation générale océanique, dont les configurations évoluent très rapidement, vers des échelles de plus en plus fines. En géochimie marine, on se heurte au problème de vision synoptique et de faible résolution spatiale. En revanche, on dispose de traceurs qui intègrent une histoire, sur des échelles de temps en cohérence avec leur

temps de résidence et les processus auxquels ils participent dans le système marin. Il est cependant nécessaire d’augmenter, d’une part, la résolution temporelle de nos données, et d’autre part, l’acquisition du nombre d’échantillons. Concernant l’amélioration de la réso- lution temporelle, l’idée de développement de capteurs est en plein essor même si la com- plexité du projet est réelle, par la faible concentration de bons nombres d’éléments chimiques dans l’eau de mer, dénommés Eléments Traces. En outre, ces capteurs sont basés sur les propriétés chimiques des éléments (échanges d’électrons). Or, la mesure – si pré- cieuse – des isotopes repose sur des tris fins de masses très voisines, requérant l’usage d’accélérateurs et d’aimants, ce qui ne relève pas de la technologie des capteurs. De façon plus réaliste, l’obtention répétée d’une mesure en un endroit permettrait d’observer la vitesse de variation de composition isotopique de masses d’eau et de préciser la ciné-

tique des éléments et des processus chimiques. En exemple, des projets d’échantillon-

nages répétés le long du Golfe du lion, sous différents forçages saisonniers du panache du Rhône, sont en cours d’élaboration. Concernant l’amélioration de la résolution spa- tiale des données géochimiques, le principal acteur est actuellement le programme GEO-

TRACES, qui encourage depuis 2 ans la collaboration de nombreux pays dans l’objectif de construire un atlas à moyenne résolution de la distribution des Éléments Traces et de leurs isotopes dans l’environnement marin afin de mieux contraindre leurs cycles biogéochim- iques et leur distribution grande échelle. Les campagnes en mer à venir dans l’Océan Paci- fique (http ://www.bodc.ac.uk/geotraces/cruises/section_maps/pacific_ocean/) permettront notamment d’apporter des éléments de réponse quant au possible enrichissement de l’EUC par des apports issus du Pacifique Équatorial Est et du Courant de Mindanao. Arsouze et al. [2007, 2009] ont initié la modélisation des cycles des Élements Traces dans l’océan par la modélisation du cycle du Nd. Cette initiative a marqué le début de l’incorporation des traceurs géochimiques dans les modèles. Les travaux de Jones et al. [2008], Siddall et al. [2008], Dutay et al. [2009] et Rempfer et al. [2011] menés en parallèle confirment l’importance de ce type de modélisation pour la compréhension et la quantification de processus clefs dans l’océan. L’avenir multidisciplinaire se dessine et l’incorporation de la géochimie dans les modèles est véritablement lancée. En proposant une approche beaucoup plus régional- isée, mon travail s’inscrit dans une démarche qui vise à mieux contraindre des processus

spécifiques – ici l’échange côte-large – qui gouvernent la distribution des éléments dans l’océan.

Chapitre 7

Annexe : Nouveau chapitre de thèse

Sommaire

7.1 Cadre général . . . 166 7.2 Ressources humaines et financières du projet . . . 169 7.3 Gestion du projet . . . 171 7.4 Connaissances/compétences développées dans le cadre de ma thèse . . . . 173 7.5 Evaluation des retombées du projet . . . 176

7.1 Cadre général

Enjeux scientifiques, économiques et sociétaux de ma thèse

J’effectue une thèse en océanographie. L’océanographie, c’est l’étude de l’océan, sous toutes ses formes : chimique, physique, biologique. L’implication des océans dans la régu- lation du climat par transfert de chaleur entre basses et hautes latitudes et par absorption d’une partie du carbone atmosphérique est aujourd’hui bien connue. Cependant, la mer est un environnement complexe et vaste et nombre de ces mécanismes sont encore incompris. C’est pourquoi la communauté scientifique étudie les différents courants marins qui sillon- nent le globe, les variations de température et de salinité, la hausse du niveau des mers, les flux de carbone atmosphérique qu’absorbe l’océan, l’état de santé des coraux ou encore les sels nutritifs dissous dans l’eau de mer, qui, par photosynthèse, participent au développe- ment du phytoplancton.

Ma thèse porte sur l’étude des eaux qui alimentent le Pacifique Equatorial. Cette région influe sur la variabilité climatique mondiale et est pour cela une zone cruciale. D’une part la dynamique océanique de cette région impacte sur le phénomène El Niño-Southern Os- cillation (ENSO). En particulier, lors d’évènements El Niño, l’Asie du sud-est, habituellement humide, subit une sécheresse anormale alors que de fortes pluies sévissent sur les côtes d’Amérique Latine, habituellement relativement sèches. Ces anomalies climatiques ont des retombées très néfastes pour la population locale, entre autre économiquement. D’autre part, la production primaire qui se développe à la surface des eaux du Pacifique Equatorial par photosynthèse participe à la régulation de la concentration du carbone atmo- sphérique. La quantification fine du flux de carbone absorbé par l’océan permet d’affiner et ainsi, d’améliorer les modèles de prévision climatiques.

La variabilité climatique du Pacifique équatorial aux échelles décennales pourrait dépen- dre des anomalies de transport ou des caractéristiques hydrologiques (température, salin- ité) des masses d’eau transportées depuis les grands gyres subtropicaux vers l’équateur. Pour tester cette hypothèse, il est nécessaire de caractériser les transformations physiques de ces masses d’eaux et leurs cheminements à travers le Pacifique sud-ouest, ce qui con- stitue un des objectifs principaux du programme international SPICE (South Pacific climate and circulation experiment ; chef de projet (PI) : Alexandre Ganachaud) labellisé par CLIVAR (Climate Variability and Predictability). Outre leurs transformations physiques, ces masses d’eau se chargent en éléments nutritifs et micronutritifs au contact des côtes de bord ouest, un enrichissement qui impacte la productivité du Pacifique équatorial et qui dépend des échanges continent – océan. La quantification de cet enrichissement est un objectif majeur

7.1 Cadre général

du programme GEOTRACES, programme visant à améliorer la compréhension des cycles biogéochimiques et la distribution à grande échelle des éléments en trace et de leurs isotopes dans l’environnement marin. De plus, le suivi de certains de ces éléments peut aider à déter- miner la provenance des masses d’eau et ainsi à apporter des informations supplémentaires sur leur circulation.

Positionnement du laboratoire

Le projet Solwara s’incrit dans le cadre des programmes SPICE et GEOTRACES et représente la contribution française au programme SPICE. L’objectif plus spécifique de Sol- wara est d’étudier les caractéristiques et le cheminement des eaux dans la région de la Mer des Salomon, un des passages clés pour les masses d’eau de surface et de sub-surface. Ce projet comprend une analyse des données existantes à la fois physiques et géochimiques, des déploiements de plateformes autonomes dans le Pacifique sud-ouest, de la modélisation et une campagne océanographique de mesures, la campagne « Pandora ». Les PIs de Solwara dans le cadre du programme national LEFE sont mes deux directrices de thèse, Sophie Cra- vatte, chargée de recherche à l’IRD (Institut de Recherche pour le Développement) et Cather- ine Jeandel, directrice de recherche au CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique).

Dans le document Le rôle du pacifique tropical sud-ouest dans la fertilisation du pacifique équatorial : couplage dynamique et multi-traceur (Page 175-185)