lars stemmann laboratoire docéanographie de villefranche sur mer l.o.v. importance des différents...
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Lars STEMMANN
Laboratoire d’Océanographie de Villefranche sur Mer
L.O.V.
Importance des différents types de matière organique (MOD, MOP) dans les
cycles biogéochimiques. Fonctionnement de la pompe biologiqueInteractions avec le plancton, les microbes
ftp://oceane.obs-vlfr.fr/pub/stemmann/DEEM2011/cours_flux.ppt
DEEM 2009, MU418
Objectifs du cours
Introduction à la pompe biologiqueLes mécanismes à micro échelleLa modélisation de ces mécanismesLes applications de ces modèles
Plan du cours
1) Introduction générale
2) Importance de la taille des particules Origine Dynamique Propriétés Méthodes d’échantillonnage
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 d’écosystèmes Modèle de flux lors des expériences d’enrichissement en fer Modèle 1 D
1) Introduction : Le cycle du carbone
Impact du vivant sur les propriétés géochimiques de l’océan
Sarmiento and Gruber, 2006Chap 4
Les pompes à C02 des océans
The air-sea fluxes of natural CO2 as well as the interior ocean
distribution of natural DIC are controlled (i) by processes that alter
the solubility of CO2 (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
Rôle de la MOD dans le transfert des éléments en profondeur ?
La pompe biologique
2) Importance de la taille dans l’écosystème marin
Couche de mélange
MicrobeZooplancton
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.
2) Importance de la taille dans l’écosystème marin
Méthodes d’étude
Mesures de terrain, trappe à sédiment, pompes in situ, prélèvement bouteille
Imagerie sous marine
UVP II
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Carte mondiale de mesure des flux dans les pièges à sédiment (2000 m)
Honjo et al., 2008
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Flux verticaux de Carbone
Couche mésopélagique
Suez et al., 1980
Martin et al., 1987
Lutz et al., 2002
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Flux verticaux de Carbone
Sarmiento et Gruber, 2006
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Modèles de flux et bilan globalHigher export efficiency at low temperatures (i.e. regeneration high at high temperatures, and low at low temperatures)
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Qui réduit le flux vertical ?
Mer de Sargasse 0-1000 m
Bacteria 100% Karl (1988)
N.W. Pacific(Oyashio)
150 -1,000 m
(copepods) 38% Sasaki et al. (1988)
N.E. tropical Pacific
70 - 200 m
(mesozoop.) 50-100% Banse (1990)King et al. (1978)
Subtropical N. Atlantic
4,440m-5,340m
(mesozoop. +micronekton)
9% Lampitt (1992)
Coastal N.E. Pacific(Monterey Bay)
100 - 500 m
(copepods) 2-43% Steinberg et al. (1997)
Temperate N.E. Atlantic
1,000 - 4,250 m
(mesozoop.) 19-64% Koppelmann &Weikert (1999)
Site Prof.% fraction du flux reminéralisé Reference Composante
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Les utilisateurs des particules
Pteropod Corolla
Larvacean
MB
AR
I
J.
Kin
g
Colonizing copepod
Colonizing microbes
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ReminéralisationAltératio
n
Sédimentation
Dissolution
La microéchelle des particules
Croissance phytoplanctonique, coagulation et consommation secondaire sont à l’origine des
particules (=aggrégats).
Chaque particule est source d’un écosystème dans lequel les flux sont amplifiés par rapport au milieu.
Microbes et zooplancton sont en compétition pour l’utlisation de ces ressources.
Les particules s’enfoncent en profondeur dans les océans d’autant plus vite quelles sont grandes
coagulation
croissance
Faut il considerer ces
micro echelles pour
l’étude des changements
globaux?
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Amélioration de la connaissance des mécanismesUtilisation des images pour en déduire les processus
t
n(r) 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
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3) Modèles de représentation des particules
FractalDistribution de taille
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CharactérisationTaille
o diamètre (sphère)o diamètre sphérique équivalento diamètre solide (porosité représenté par la théorie fractale)o diamètre hydraulique
Volumeo vraio apparento volume solide (corrige la porosité)
Poidso Poids totalo Poids seco Poids en carbone (autres éléments)
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Marine snow masse-diamètreLa masse d’une particule n’augmente 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
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Fractal ?
Mass = a * taille Df
Df est la dimension fractaleDf = 3, solideDf = 1.5, aggrégats formés par mvt BrownienDf = 2-2.5, aggrégats formés par cisaillement
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Importance de la dimension fractale dans l’étude des écosystèmes
Modifie le ratio entre masse et volume (donc les surfaces d’échanges)Modifie la vitesse de sédimentationModifie la coagulation physique (car la particule est de taille différente et le flux d’eau autours est différent)Modifie l’objet mesuré
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Mesure de la taille
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Abondance de différentes particules océaniques
o Virus 1012 part l-1
o Bactéries 109 part l-1
o Phytoplancton (>0.7m) 106 part l-1
o Microplancton 103 part l-1
o Mesoplancton 100 part l-1
o Macro plancton 10-3 part l-1
o Colloïdes 109 part l-1
o Particules inertes (0.2<<10 m) 106 part l-1
o Aggrégats (10<<500 m) 103 part l-1
o Aggrégats (500<< 1000 m) 100 part l-1
o Aggrégats (>1000 m) 10-3 part l-1
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Le spectre différentiel n(r)
r r2
r
Nombre:N = n(r)*dr
Masse: Q = m(r)*n(r)*dr
Concentration: C= n(r)*dr / Ve
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Spectre de taille
La taille est continue (un peu comme la lumière)Spectre de taille (cumulé ou différentiel)
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spectre issu de plusieurs instruments
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Spectre de biomasse
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Utilité du spectre
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Propriétés allométriques I
Flu
x d
e m
asse
Ab
on
dan
ce,
Mass
e
Vit
ess
e d
e
séd
imen
ati
on
Taille (cm) 10-5 10-3 10-1 100
Taille (cm) 10-5 10-3 10-1 100
0.1
100
Taille (cm) 10-5 10-3 10-1 100
=
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Propriétés allométriques II
Sp
eci
fic
PO
C l
oss
(d
-1)0.1
Radius (cm) 10-5 10-3 10-1 100
0.2
1
Bacteria
Zooplankton
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4) Interaction particules –phytoplankton - zooplancton –
microbes à micro-échelles
• Activité du zooplancton• Activité des bactéries • Coagulation physique
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Zooplancton colonisateur
0.5 ml
10 l
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Microbes colonisateurs
Kiorboe 2003
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Plume
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Bacterial degradation
Bacterial respiration rate, b = 0.08 d-1
m
n
mCbm
tmC
)(
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Filter feeder
Active flux feeder
Passive flux feeder
Filter feeder
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Zooplankton filter feeding
+ redistribution
Filtration rate c = 25 * 10-5 and 25 * 10-3 m3 d-1 for meso and macrozooplankton.
)()( mZcCtmC
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Zooplankton flux feeding
)()(2 mCmwarZ
+ redistribution
Detection radius, r1 and r2 = 1 and 20 mm for meso and macrozooplankton.
tmC )(
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Coagulation theory (1)
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Rates of collision
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Shear
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Differential sedimentation
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5) Applications
1) Concentration critique2) Modèle d’écosystème3) Modèle d’export de la couche de surface4) Modèle de transformation dans la colonne d’eau
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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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Modèle d’écosystème
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Pelottefécale
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Cas sans coagulation
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Cas avec coagulation
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Transformation dans la colonne d’eau
Stemmann et al., 2004
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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)
Approche inverse : Connaissant que peut on déduire des mécanismes? t
n(r)
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Equations
Bacteria
zCw
tC m
mm
)()(
)(
01)(),()(
1)()(0
),(
111
1115.0
dmCC
dmCC
mmmm
mmmm
mmm
m
nmb
)(mCcZ
)()(2
mm CwarZ
Settling
Coagulation
Filter feeder
Flux feeder
+ redistribution
+ redistribution
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Série temporelle à DYFAMED
Phytoplankton (0-200 m)
Aggregates>0.15 cm
Flux (1000 m)
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Implémentation du modèle
100 m
100-200 m
900-1000 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 bythe ratio = Log10(xp / xo)
xo
xo
xp
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Specific rate of mass change (model)
200 m 1000 m
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Simulation sur 3 ans
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Model 1D: Quels sont les méchanismes important?S
ous-
esti
mat
ion
Su
r-es
tim
atio
n
S S+B S+Z1 S+Z2 S+C S+B+Z S+B+Z2+C
log(
Np
/No)
Rayon (cm) Combinaison de mécanismes (sauf ‘filter feeding’).
‘Flux feeding’ est déterminant
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Flux
200 m
1000 m
- Model* Observation
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Transfert de matière au sein du spectre de taille
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Expérience de fertilisation
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SOIREE experiment
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Lateral export to high to allow sufficient concentration of phytoplankton
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Ironex2 experiment
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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.
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Perspectives
Caractériser les particules en fonction de la profondeur Contenu biogéochimique (sources et évolution). Taille géométrie, porosité, vitesse de sédimentation, propriété d’adhésion.
Estimer l’impact 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
Tem
ps
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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
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Méthodes expérimentales
Sur des particules individuelles
Taille
1) Masse (CHN)2) Vitesse3) Colonisation (Bact.
Zoo.)
1) Coagulation2) Désagrégation
Temps
1) Fragmentation biologique
2) Colonisation biologique
3) Dissolution biologique
Turbulence
1 m 1 cm
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Modèles
Modèle 1D
Parametrisation
Modèle 3D
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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): 87-93. 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. 2001. 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, 207-220. 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): 275-280. 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: 121-128. 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 : 135-141. 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 (0-1000 m) in the NW Mediterranean in relation to hydrology, phytoplankton and vertical flux. Deep Sea Res II, 49 (11) 2143-2162
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Références
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Référence