Thèse CNES-region PACA (2010-2013) Laboratoire dOcéanographie de Villefranche (UMR7093) Observatoire Océanologique de Villefranche (OOV) Variabilité diurne.

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1 thèse CNES-region PACA (2010-2013) Laboratoire dOcéanographie de Villefranche (UMR7093) Observatoire Océanologique de Villefranche (OOV) Variabilité diurne des propriétés optiques dans locéan à partir des observations de la couleur de locéan au site BOUSSOLE (mer Méditerranée). Malika KHEIREDDINE Directeur de thèse: David ANTOINE Réunion OCAPI, le 10 Octobre 2013

2 1.La variabilité diurne des propriétés optiques est associée au cycle jour-nuit de la lumière et aux processus planctoniques associés. Ce phénomène a été observé in situ et peut être reproduit en laboratoire. (Siegel et al., 1988, Claustre et al., 1999; 2002, Gernez et al., 2011). 2.Les mesures en laboratoire ont montré que les variations diurnes du coefficient datténuation des particules (c p ) sont principalement causées par des changements dindice de réfraction et de distribution de taille des particules. (Stramski and Reynolds, 1993) Cependant, les études en laboratoire ne sont pas représentatives de lenvironnement naturel. 3.Quelques connaissances sur la variabilité diurne de c p ont été obtenues à partir de mesures de terrains (campagnes océanographiques). Cependant, les campagnes sont souvent limités à quelques jours, ce qui empêche une généralisation des résultats. En conséquence, lorigine de la variabilité diurne est encore mal connue. 4.La variabilité diurne du coefficient de rétrodiffusion des particules (b bp ) est encore moins documentée que celle de c p. (Loisel et al., 2011) « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

3 1.Le coefficient de rétrodiffusion (b bp ) peut être estimé depuis les observations couleur de leau. Données satellite Reflectance (R) et coefficient datténuation diffuse (Kd) Données satellite Reflectance (R) et coefficient datténuation diffuse (Kd) Paramètres biogéochimiques (COP, MES,…) b bp Inversion (R ~ b b /a) (Gordon, 1989; Morel et Gentili, 2004). Algorithmes (Loisel et al., 2002; 2006; Stramski et al., 1999). 2.Les processus biogéochimiques peuvent être étudiés depuis les observations de la couleur de leau. La plupart de ces processus, tels que lactivité photosynthétique et la division cellulaire sont associés au cycle jour-nuit de la lumière. Seuls, les futures satellites géostationnaires seront adaptés pour étudier ces processus depuis lespace. « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

4 Observations de la couleur de leau à partir de lorbite géostationnaire: future mission OCAPI Ocean color advanced Permanent Imager 1.Quand les conditions déclairement et de géométrie le permettent: accéder à la variabilité haute fréquence (échelle horaire) des phénomènes à évolution rapide. 2.Quand ces conditions ne sont pas réunis: obtenir au moins une observation exploitable par jour et accroître la densité dobservations et les possibilités de suivi temporel. 3.Etudes potentielles: Variabilité diurne des propriétés optiques et relations avec la physique et la biogéochimie Couplage physique-biologie à (sub) méso-échelle Transport des sédiments et aérosols Dynamique des environnements et écosystèmes côtiers … Etudes scientifiques en amont sur les cycles diurnes des propriétés optiques (IOPs et AOPs) sont nécessaires. « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

5 Partie 1 1.Analyser et caractériser les cycles diurnes de c p et b bp associées à différentes conditions environnementales. 2.Comparer les cycles diurnes de c p et b bp. 3.Interpréter lorigine de cette variabilité. Partie 2 (en cours) 1.Etudier la propagation de la variabilité diurne des IOPs (c p & b bp ) vers les AOPs (Kd & R). 2.Etudier la faisabilité de quantifier cette variabilité à partir des observations géostationnaires. « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

6 Partie 1 1.Analyser et caractériser les cycles diurnes de c p et b bp associées à différentes conditions environnementales. 2.Comparer les cycles diurnes de c p et b bp. 3.Interpréter lorigine de cette variabilité. Partie 2 (en cours) 1.Etudier la propagation de la variabilité diurne des IOPs (c p & b bp ) vers les AOPs (Kd & R). 2.Etudier la faisabilité de quantifier cette variabilité à partir des observations géostationnaires. « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

7 Principaux résultats de la partie 1 Les cycles diurnes de c p et b bp sont caractérisés par une augmentation le jour et une diminution la nuit. Augmentation diurne Croissance (taille) Fixation du carbone (n) Augmentation diurne Croissance (taille) Fixation du carbone (n) Diminution au cours de la nuit Respiration et perte de matériels cellulaires (n, taille) Division cellulaire (PSD, Nombre) Broutage ( Nombre) Diminution au cours de la nuit Respiration et perte de matériels cellulaires (n, taille) Division cellulaire (PSD, Nombre) Broutage ( Nombre) Siegel et al., 1989; Cullen et al., 1992 ; Walsh et al., 1995; Stramski and Reynolds, 1993; Durand and Olson, 1998; Claustre et al., 2002; Durand et al., 2002; … « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

8 « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion 1.Des cycles diurnes de c p et b bp sont observés quelque soit la saison. 2. Lamplitude des cycles diurnes de c p varient en fonction de la saison contrairement à b bp. 3. Le timing des cycles diurnes de b bp est différent de celui de c p en dehors du bloom. Les maxima de b bp sont observés avant ceux de c p.

9 Partie 1 1.Analyser et caractériser les cycles diurnes de c p et b bp associées à différentes conditions environnementales. 2.Comparer les cycles diurnes de c p et b bp. 3.Interpréter lorigine de cette variabilité. Partie 2 (en cours) 1.Etudier la propagation de la variabilité diurne des IOPs (c p & b bp ) vers les AOPs (Kd & R). 2.Etudier la faisabilité de quantifier cette variabilité diurne à partir des observations géostationnaires. « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

10 1. Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion Les variations journalières de R (560 et 443 nm) sont généralement caractérisées par une augmentation allant du lever du jour au midi solaire (± 3 heures) puis par une diminution du midi solaire (± 3 heures) au coucher du soleil.

11 1. Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion Les variations journalières de Kd (560 et 443 nm) sont caractérisées par une légère augmentation du lever du jour jusque quelques heures avant le midi solaire puis par une diminution le reste de la journée. Contrairement aux variations de R, les variations de Kd sont peu variables dun jour à lautre.

12 1.Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. 2.Comprendre lorigine de la variabilité observée au niveau des AOPs, i.e limpact de a et b b sur R et Kd (R ~ b b /a et Kd ~ a) à partir des données in situ. Exemple pour R (R ~ b b /a ) Exemple de variations journalières de b b, a et R à 560 nm durant le 10/08/2006 pour différents cas (A, B, C et D). Les parties grisées représentent la période nocturne. « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion Les variations journalières de b b (timing, forme) et a (amplitude) sont à lorigine des variations de R observées.

13 1.Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. 2.Etudier lorigine de la variabilité observée au niveau des AOPs, i.e limpact de a et b b sur R et Kd (R ~ b b /a et Kd ~ a) à partir des données in situ. 1.Etudier lorigine de la variabilité observée au niveau des AOPs a laide de Hydrolight et comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPs in situ. IOPs in situ AOPs Hydrolight AOPs in situ Comparaison « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

14 IOPs in situ AOPs Hydrolight AOPs in situ Comparaison « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

15 « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion IOPs in situ AOPs Hydrolight AOPs in situ Comparaison

16 1.Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. 2.Etudier lorigine de la variabilité observée au niveau des AOPs, i.e limpact de a et b b sur R et Kd (R ~ b b /a et Kd ~ a) à partir des données in situ. 3.Etudier lorigine de la variabilité observée au niveau des AOPs à partir de Hydrolight et de comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPs in situ. 4.Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires (méthode dinversion). AOPs IOPs Inversion IOPs in situ Comparaison « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

17 1.Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. 2.Etudier lorigine de la variabilité observée au niveau des AOPs, i.e limpact de a et b b sur R et Kd (R ~ b b /a et Kd ~ a) à partir des données in situ. 3.Etudier lorigine de la variabilité observée au niveau des AOPs à partir de Hydrolight et de comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPs in situ. 4.Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires (méthode dinversion). AOPs IOPs Inversion IOPs in situ Comparaison « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

18 1.Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. 2.Etudier lorigine de la variabilité observée au niveau des AOPs, i.e limpact de a et b b sur R et Kd (R ~ b b /a et Kd ~ a) à partir des données in situ. 3.Etudier lorigine de la variabilité observée au niveau des AOPs à partir de Hydrolight et de comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPs in situ. 4.Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires (méthode dinversion). AOPs IOPs Inversion IOPs in situ Comparaison « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion Difficile dobtenir des estimations précises de b bp à partir de R et Kd pour les eaux claires.

19 1.Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. 2.Etudier lorigine de la variabilité observée au niveau des AOPs, i.e limpact de a et b b sur R et Kd (R ~ b b /a et Kd ~ a) à partir des données in situ. 3.Etudier lorigine de la variabilité observée au niveau des AOPs à partir de Hydrolight et de comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPs in situ. 4.Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires (méthode dinversion). 5. Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires en prenant en compte lincertitude ajoutée par les problèmes dinversions et de corrections atmosphériques. « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

20 3. Possibilité de reproduire plus ou moins bien les AOPs à partir des IOPs via hydrolight (à poursuivre pour comprendre lorigine de la variabilité observée au niveau des AOPs ). 4. Pas évident de retrouver le cycle diurne de b bp à partir des AOPs via les algorithmes dinversion ( il faudrait améliorer les algorithmes dinversion). 1. Des variations journalières de R et Kd ont été observées à partir des mesures in situ. 2. Théoriquement, la variabilité diurne de b bp serait principalement la cause de la variation observée (à poursuivre). « Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion