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Lars STEMMANN Laboratoire dOcéanographie de Villefranche sur Mer L.O.V. Importance des différents types de matière organique (MOD, MOP) dans les cycles.

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1 Lars STEMMANN Laboratoire dOcéanographie de Villefranche sur Mer L.O.V. Importance des différents types de matière organique (MOD, MOP) dans les cycles biogéochimiques. Fonctionnement de la pompe biologique Interactions avec le plancton, les microbes ftp://oceane.obs-vlfr.fr/pub/stemmann/DEEM2011/cours_flux.ppt

2 DEEM 2009, MU418 Objectifs du cours Introduction à la pompe biologique Les mécanismes à micro échelle La modélisation de ces mécanismes Les applications de ces modèles

3 Plan du cours 1) Introduction générale 2) Importance de la taille des particules Origine Dynamique Propriétés Méthodes déchantillonnage 3) Modèlisation des propriétés du spectre 4) Modèlisation des interactions à micro-échelle Spectre de taille Modèle de Coagulation Modèle de Consommation par les hétérotrophes 5) Application des modèles Modèle de coagulation du bloom Modèle décosystèmes Modèle de flux lors des expériences denrichissement en fer Modèle 1 D

4 1) Introduction : Le cycle du carbone

5 Impact du vivant sur les propriétés géochimiques de locéan Sarmiento and Gruber, 2006 Chap 4

6 Les pompes à C02 des océans The air-sea fluxes of natural CO 2 as well as the interior ocean distribution of natural DIC are controlled (i) by processes that alter the solubility of CO 2 (primarily heat fluxes), and (ii) by the interaction of biology with ocean circulation (great biogeochemical loop). (i)is often referred to as the solubility pump (ii)its downward component is often referred to as the biological pump Solubility pump Biological pump

7 Rôle de la MOD dans le transfert des éléments en profondeur ?

8 La pompe biologique

9 2) Importance de la taille dans lécosystème marin Couche de mélange Microbe Zooplancton Agregation – disagregation Matière en suspension Flux Algue Agrégats Respiration Sédiment Couche mésopélagique Le carbone est transporte par les grosses particules (>0.1cm). Chaque particule est un ecosysteme.

10 2) Importance de la taille dans lécosystème marin

11 Méthodes détude Mesures de terrain, trappe à sédiment, pompes in situ, prélèvement bouteille Imagerie sous marine UVP II

12 DEEM2011 Carte mondiale de mesure des flux dans les pièges à sédiment (2000 m) Honjo et al., 2008

13 DEEM2011 Flux verticaux de Carbone Couche mésopélagique Suez et al., 1980 Martin et al., 1987 Lutz et al., 2002

14 DEEM2011 Flux verticaux de Carbone Sarmiento et Gruber, 2006

15 DEEM2011 Modèles de flux et bilan global Higher export efficiency at low temperatures (i.e. regeneration high at high temperatures, and low at low temperatures)

16 DEEM2011 Qui réduit le flux vertical ? Mer de Sargasse m Bacteria100% Karl (1988) N.W. Pacific (Oyashio) ,000 m (copepods) 38% Sasaki et al. (1988) N.E. tropical Pacific m ( mesozoop.) % Banse (1990) King et al. (1978) Subtropical N. Atlantic 4,440m - 5,340m (mesozoop. + micronekton) 9% Lampitt (1992) Coastal N.E. Pacific (Monterey Bay) m (copepods) 2-43% Steinberg et al. (1997) Temperate N.E. Atlantic 1, ,250 m (mesozoop.) 19-64% Koppelmann & Weikert (1999) SiteProf. % fraction du flux reminéralisé Reference Composante

17 DEEM2011 Les utilisateurs des particules Pteropod Corolla Larvacean MBARI J. King Colonizing copepod Colonizing microbes

18 DEEM2011 Reminéralisation Altération Sédimentation Dissolution La microéchelle des particules Croissance phytoplanctonique, coagulation et consommation secondaire sont à lorigine des particules (=aggrégats). Chaque particule est source dun écosystème dans lequel les flux sont amplifiés par rapport au milieu. Microbes et zooplancton sont en compétition pour lutlisation de ces ressources. Les particules senfoncent en profondeur dans les océans dautant plus vite quelles sont grandes coagulation croissance Faut il considerer ces micro echelles pour létude des changements globaux?

19 DEEM2011 Amélioration de la connaissance des mécanismes Utilisation des images pour en déduire les processus Sédimentation + Coagulation + Fragmentation physique - Respiration + Altération biologique + Advection + Mélange turbulent r n Spectre de taille 10 cm (-450 m, 70 l, PVM, DYFAMED) Décapode et particules

20 DEEM2011 3) Modèles de représentation des particules Fractal Distribution de taille

21 DEEM2011 Charactérisation Taille o diamètre (sphère) o diamètre sphérique équivalent o diamètre solide (porosité représenté par la théorie fractale) o diamètre hydraulique Volume o vrai o apparent o volume solide (corrige la porosité) Poids o Poids total o Poids sec o Poids en carbone (autres éléments)

22 DEEM2011 Marine snow masse-diamètre La masse dune particule naugmente pas comme le cube de son diamètre comme on pourrait le penser si la densité est constante. Cela suggère la dimension fractale. Alldredge et Gotschalk, 1988

23 DEEM2011 Fractal ? Mass = a * taille Df Df est la dimension fractale Df = 3, solide Df = 1.5, aggrégats formés par mvt Brownien Df = 2-2.5, aggrégats formés par cisaillement

24 DEEM2011 Importance de la dimension fractale dans létude des écosystèmes Modifie le ratio entre masse et volume (donc les surfaces déchanges) Modifie la vitesse de sédimentation Modifie la coagulation physique (car la particule est de taille différente et le flux deau autours est différent) Modifie lobjet mesuré

25 DEEM2011 Mesure de la taille

26 DEEM2011 Abondance de différentes particules océaniques o Virus part l -1 o Bactéries10 9 part l -1 o Phytoplancton (>0.7 m) 10 6 part l -1 o Microplancton 10 3 part l -1 o Mesoplancton10 0 part l -1 o Macro plancton part l -1 o Colloïdes10 9 part l -1 o Particules inertes (0.2<<10 m) 10 6 part l -1 o Aggrégats (10<<500 m) 10 3 part l -1 o Aggrégats (500<< 1000 m) 10 0 part l -1 o Aggrégats (>1000 m) part l -1

27 DEEM2011 Le spectre différentiel n(r) r r2r2 r Nombre:N = n(r)* dr Masse: Q = m(r)*n(r)* dr Concentration: C= n(r)* dr / Ve

28 DEEM2011 Spectre de taille La taille est continue (un peu comme la lumière) Spectre de taille (cumulé ou différentiel)

29 DEEM2011 spectre issu de plusieurs instruments

30 DEEM2011 Spectre de biomasse

31 DEEM2011 Utilité du spectre

32 DEEM2011 Propriétés allométriques I Flux de masse Abondance, Masse Vitesse de s é dimenation Taille (cm) Taille (cm) Taille (cm) =

33 DEEM2011 Propriétés allométriques II Specific POC loss (d -1 ) 0.1 Radius (cm) Bacteria Zooplankton

34 DEEM2011 4) Interaction particules – phytoplankton - zooplancton – microbes à micro-échelles Activité du zooplancton Activité des bactéries Coagulation physique

35 DEEM2011 Zooplancton colonisateur 0.5 ml 10 l

36 DEEM2011 Microbes colonisateurs Kiorboe 2003

37 DEEM2011 Plume

38 DEEM2011 Exploitation de la plume par bactéries

39 DEEM2011 Bacterial degradation Bacterial respiration rate, b = 0.08 d -1 m n

40 DEEM2011 Filter feeder Active flux feeder Passive flux feeder Filter feeder

41 DEEM2011 Zooplankton filter feeding + redistribution Filtration rate c = 25 * and 25 * m 3 d -1 for meso and macrozooplankton.

42 DEEM2011 Zooplankton flux feeding + redistribution Detection radius, r 1 and r 2 = 1 and 20 mm for meso and macrozooplankton.

43 DEEM2011 Coagulation theory (1)

44 DEEM2011 Coagulation theory (2)

45 DEEM2011 Rates of collision

46 DEEM2011

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48 Shear

49 DEEM2011 Differential sedimentation

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55 5) Applications 1) Concentration critique 2) Modèle décosystème 3) Modèle dexport de la couche de surface 4) Modèle de transformation dans la colonne deau

56 DEEM2011 Calcul de concentration critique Il existe une concentration critique en particule à partir de laquelle la coagulation intervient très fortement et limite le nombre de petites particules.

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65 Modèle décosystème

66 DEEM2011 Pelotte fécale

67 DEEM2011 Cas sans coagulation

68 DEEM2011 Cas avec coagulation

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71 Transformation dans la colonne deau Stemmann et al., 2004

72 DEEM2011 Model 1D de la dynamique des particules dans la couche aphotique Sédimentation Coagulation Turbulence et différence de sédimentation Activité microbienne Respiration, dissolution, réduction de taille Activité du zooplancton flux feeding (ptéropodes, copépodes) filter feeding (salpes, appendiculaires, crustacés) Respiration, production de déchets f(r)f(r) Approche inverse : Connaissant que peut on déduire des mécanismes?

73 DEEM2011 Equations Bacteri a Settling Coagulation Filter feeder Flux feeder + redistribution

74 DEEM2011 Série temporelle à DYFAMED Phytoplankton (0-200 m) Aggregates >0.15 cm Flux (1000 m)

75 DEEM2011 Implémentation du modèle 100 m m m …………. Calculate sectional size spectra Force the model at 100 m with an observed particle spectra. Calculate the predicted spectra from 100 to 1000 m. Compare the predicted and observed abundance by the ratio = Log 10 (x p / x o ) xoxo xoxo xpxp

76 DEEM2011 Specific rate of mass change (model) 200 m 1000 m

77 DEEM2011 Simulation sur 3 ans

78 DEEM2011 Model 1D: Quels sont les méchanismes important? Sous-estimation Sur-estimation S S+B S+Z1 S+Z2 S+C S+B+Z S+B+Z2+C log(Np/No) Rayon (cm) Combinaison de m é canismes (sauf filter feeding). Flux feeding est déterminant

79 DEEM2011 Flux 200 m 1000 m - Model * Observation

80 DEEM2011 Transfert de matière au sein du spectre de taille

81 DEEM2011 Expérience de fertilisation

82 DEEM2011 SOIREE experiment

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91 Lateral export to high to allow sufficient concentration of phytoplankton

92 DEEM2011 Ironex2 experiment

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96 Conclusion sur la transformation Les résultats du modèle sont consistants avec les observations sur le spectre de taille des particules et avec les flux verticaux. Le processus seul important est le flux feeding effectué par les petits copépodes. Cela suggère que ces petits organismes colonisent et consomment rapidement les grandes particules dans les premières centaines de mètre. Ils transforment les grands agrégats à grandes vitesse de sédimentation en particules plus petites en suspension qui sont re-minéralisées par les microbes.

97 DEEM2011 Perspectives Caractériser les particules en fonction de la profondeur Contenu biogéochimique (sources et évolution). Taille géométrie, porosité, vitesse de sédimentation, propriété dadhésion. Estimer limpact relatif du zooplancton et des microbes Colonisation, respiration, dissolution Communautés clés Développer le model actuel selon les informations. Estimer les échelles spatiales et temporelles de la distribution des particules. Homogénéité/hétérogénéité des particules en profondeur. Représentation spatiale du model. Coupler avec un model épipélagique. Parametrisation et inclusion dans un model spatial. Impact des changements globaux sur les particules. Modification de la source de particules en surfaces Modification des populations de consommateurs Temps

98 DEEM2011 Méthodes in situ Mesures in situ sur les particules ( m-cm) Séries temporelles (à court et moyen terme) Observations spatiales (mésoéchelle). ROV, sondes autonomes, profileur (optique multi-spectrale). Avoir accès aux particules in situ et/ou individuellement

99 DEEM2011 Méthodes expérimentales Sur des particules individuelles Taille 1)Masse (CHN) 2)Vitesse 3)Colonisation (Bact. Zoo.) 1)Coagulation 2)Désagrégation Temps 1)Fragmentation biologique 2)Colonisation biologique 3)Dissolution biologique Turbulence 1 m 1 cm

100 DEEM2011 Modèles Modèle 1D Parametrisation Modèle 3D

101 DEEM2011 Publications Baussant Th., Gasser B., Kantidakis A. & G. Gorsky (1993). Mesopelagic micronekton and macrozooplankton observed by echosounding, multiple-net sampling and video profiling across the Almeria-Oran front (W.-Mediterranean). Ann. Inst. oceanogr., Paris, 69 (1): Echevarría, F., Gómez, F., Lafuente, J.G., Gorsky, G., Goutx, M., González, N., Bruno, M., García, C. M., Vargas, J. M., Picheral, M., Striby, L., Alonso, J. J., Reul, A., Cózar, A., Prieto, L., Jiménez, F. & M. Varela.. (in press) Physical- biological coupling in the Straits of Gibraltar. Deep-Sea Reearch Gómez, F., Gorsky, G., Striby, L., Vargas, J.M., González, N., Picheral., M., García-Lafuente, J., Varela, M. & Goutx, M Small- scalle temporal variations in biogeochemical features in the Strait of Gibraltar, Mediterranean side -the role of NACW and the interface oscillation. J. Mar. Systems, 30, Gorsky, G., Aldorf, C., Picheral, M., Kage, M., Garcia,Y. & J. Favole (1992). Vertical distribution of suspended aggregates determined by a new Underwater Video Profiler. Ann. Inst. oceanogr., Paris, 68 (1-2): Gorsky, G., Picheral, M. & L. Stemmann. (2000) Use of the Underwater Video Profiler for the Study of Aggregate Dynamics in the North Mediterranean. Estuar.Coast.Shelf Sci., 50: Gorsky, G., Flood, P.R., Youngbluth, M.J., Picheral, M. & Grisoni, J.-M. (2000) Zooplankton Distribution in Four Western Norwegian Fjords. Estuar. Coast. Shelf Sci., 50 : G. Gorsky, L. Prieur, I. Taupier-Letage, L. Stemmann, M. Picheral (in press) Large Particulate Matter (LPM) in the Western Mediterranean. I - LPM distribution related to mesoscale hydrodynamics. Journal of Marine Research. Gorsky, G., Le Borgne, R., Picheral, M. & L. Stemmann (in press) Marine snow latitudinal distribution in the equatorial Pacific along 180°. J. Geophys. Res. Stemmann, L., Jacskon, G., Ianson, D. A 1D size-resolved model for flux, aggregation, bacterial remineralisation and zooplankton consumption in the mid-water. I Model setup and properties, soumis à Deep Sea Research I Stemmann, L., Jacskon, G., Gorsky, G. A 1D size-resolved model for flux, aggregation, bacterial remineralisation and zooplankton consumption in the mid-water. II Application to a four years survey in the NW Mediterranean sea, soumis à Deep Sea Research I Stemmann L, G. Gorsky, J-C. Marty, M. Picheral and J-C. Miquel (2002) Four years study of Large Particles (>0.15 mm) vertical distribution ( m) in the NW Mediterranean in relation to hydrology, phytoplankton and vertical flux. Deep Sea Res II, 49 (11)

102 DEEM2011 Références

103 DEEM2011 Référence


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