Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Ventilation de l'océan“

Les courants océaniques jouent un rôle important dans le système climatique global grâce à leur capacité à transporter et redistribuer la chaleur et divers éléments chimiques à l'échelle mondiale. Cependant, l'océan profond étant difficile d'accès, notre connaissance des courants marins au-delà de 200 mètres de profondeur est très lacunaire. De récentes observations ont mis en lumière la présence de forts courants, appelés courants jets, entre 200 et 2 000 mètres dans les régions équatoriales. À partir d'une approche mêlant observations, modélisation et théorie, nous montrons le rôle de ces courants jets dans le mélange et la ventilation océaniques, ainsi que les processus physiques à l'origine de leur formation, validant ainsi, pour la première fois dans l'océan, des théories issues de disciplines connexes. Oceanic currents play an important role in the climate system through their ability to transport and redistribute heat and various chemical elements on a global scale. However, because the deep ocean is difficult to access, our knowledge of ocean currents below 200 m is poor. Recent observations have highlighted the presence of strong currents, known as jets, between 200 m and 2000 m depth, in the equatorial regions. Using an approach combining observations, modelling and theory, we have shown the role of these jets in oceanic mixing and ventilation, as well as the physical processes underlying their formation, validating theories from other disciplines for the first time in the ocean.

La quantité d'oxygène océanique diminue depuis 20ème siècle et, d'après les projections climatiques, cela se poursuivra sur le 21ème siècle avec des effets sur les cycles biogéochimiques, les organismes aquatiques et les écosystèmes. En subsurface, la désoxygénation est contrôlée par : 1) la solubilité déterminant la quantité d’oxygène pouvant être dissous, 2) la respiration utilisant l'oxygène pour reminéraliser la matière organique et 3) les échanges surface/subsurface. Ces mécanismes sont affectés par le changement climatique (CC) : 1) la solubilité diminue quand la température augmente, 2) la production de matière organique en surface diminue, diminuant ainsi la respiration en subsurface et 3) les échanges surface/subsurface sont ralentis en raison de l’augmentation de la stratification. La contribution relative de chacun de ces mécanismes à la désoxygénation est encore mal connue. Pour l'estimer nous avons calculé, dans une projection climatique, le transport d’oxygène à travers la base de la couche de mélange et la respiration sous la couche de mélange. Nos résultats montrent que chaque mécanisme contribue à proportion égale à la désoxygénation. Ce résultat a été obtenu avec un modèle à basse résolution. Or, des études indiquent que les processus de petite échelle peuvent influencer les mécanismes contrôlant la désoxygénation mais il n’y a pas encore d’estimation de leurs effets. Nous avons donc développé une configuration idéalisée nous permettant de réaliser des expériences de CC résolvant explicitement ces processus. Dans ce cadre, nos résultats montrent que les processus de petite échelle atténuent 1) la désoxygénation et 2) la réponse des mécanismes impliqués
The amount of oxygen in the ocean has decreased since the middle of the 20th century. According to climate projections, this will continue into the 21st century with effects on biogeochemical cycles, aquatic organisms and ecosystems. In the subsurface, deoxygenation is controlled by: 1) solubility, determining the amount of oxygen that can be dissolved, 2) respiration, using oxygen to remineralize organic matter and 3) surface/subsurface exchanges. These mechanisms are affected by climate change: 1) the solubility decreases as the temperature increases, 2) the production of organic matter at the surface decreases, thus decreasing the subsurface respiration and 3) the surface/subsurface exchanges are slowed down due to the increase in stratification. The relative contribution of each of these mechanisms to deoxygenation is still poorly understood. To estimate it, we calculated the transport of oxygen through the base of the mixed layer as well as the respiration under the mixed layer in a climate projection. Our results show that each mechanism contributes in equal proportion to deoxygenation. This result was obtained with a low resolution model. However, studies indicate that small-scale processes can influence the mechanisms controlling deoxygenation, but there is still no estimate of their effects. We have therefore developed an idealized configuration allowing us to perform climate change experiments that explicitly solve these processes. In this framework, our results show that small scale processes attenuate 1) deoxygenation and 2) the responses of the mechanisms involved

L'océan Pacifique représente environ 50% du volume global des océans, ce qui en fait un acteur essentiel des cycles biogéochimiques globaux et de leur réponse aux perturbations. En particulier, l'océan Pacifique profond abrite des réservoirs majeurs de carbone et de nutriments, dont la taille et les variations sont largement contrôlées par les transports physiques de traceurs. Dans cette thèse, nous visons à mieux comprendre et contraindre le transport de traceurs dans l'océan Pacifique profond à travers les états climatiques. Pour cela, nous générons de nouvelles et utilisons d'anciennes observations de traceurs conservatifs, notamment les isotopes de l'oxygène, ainsi que des modèles numériques de circulation océanique. Nous montrons que le mélange isopycnale a un contrôle essentiel sur la ventilation des profondeurs moyennes du Pacifique. Un retour des eaux abyssales vers la surface est identifié dans le Pacifique subarctique moderne. Cette voie de remontée semble avoir diminué pendant le dernier maximum glaciaire, il y a environ 20 000 ans, et le Pacifique Nord profond pourrait avoir été plus fortement stratifié. Cependant, les preuves de changements nécessaires dans le sud du bassin pour expliquer cette stratification profonde restent rares. Les modèles de pointe de circulation océanique peinent à représenter les trajectoires des traceurs et les vitesses de ventilation dans le Pacifique Nord moderne, déduites des observations. Cependant, ces trajets de traceurs restent insuffisamment contraints et la dynamique sous-jacente est mal comprise. L'analyse des mesures in situ du rapport isotopique de l'oxygène 18 (18O) de l'eau de mer constitue un moyen efficace pour mieux contraindre les origines et les itinéraires des traceurs dans l'océan profond : les observations actuelles de 18O dans les océans Austral, Indien et Pacifique permettent de mieux comprendre ces itinéraires. Nous suggérons que des mesures supplémentaires de 18O à partir d'échantillons d'eau de mer modernes et de coquilles de calcite dans les carottes de sédiments fourniraient des contraintes précieuses sur les réservoirs et les flux de traceurs actuels et passés dans l'océan profond
The Pacific Ocean represents about 50% of the global ocean volume, making it an essential player in global biogeochemical cycles and their response to external perturbations. In particular, the deep Pacific Ocean hosts major reservoirs of carbon and nutrients, whose size and variations are largely controlled by physical tracer transports. In this thesis, we aim to better understand and constrain the transport of tracers in the deep Pacific Ocean across climate states. We use historical and new observations of conservative tracers, notably oxygen isotopes, combined with numerical models of ocean circulation. We show that isopycnal mixing is an essential control of the ventilation of Pacific mid-depths. A return of abyssal waters to the surface is identified in the modern subarctic Pacific. This upwelling pathway may have been weaker during the Last Glacial Maximum about 20,000 years ago, and the deep North Pacific may have been more strongly layered; however, evidence for the required end member changes in the south of the basin to explain this deep layering remains sparse. State-of-the-art prognostic models of global ocean circulation struggle to represent observationally inferred tracer pathways and turn-over times in the modern North Pacific. However, these tracer pathways remain insufficiently constrained and the underlying dynamics are poorly understood. Analysis of in-situ measurements of the oxygen-18 (18O) isotopic ratio of seawater provides an efficient means to better constrain the origins and routes of tracers in the deep ocean: insights on these routes are derived from existing 18O observations in the Southern, Indian, and Pacific Oceans. We suggest that additional measurements of 18O from modern ocean water samples, and from calcite shells in sediment cores, would provide valuable constraints on present-day and past tracer reservoirs and fluxes in the deep ocean

Le Kr85 est un isotope radioactif produit par l'industrie nucléaire. Sa qualité de gaz rare, sa période de 10. 76 ans, son histoire atmosphérique bien documentée et sa fonction d'entrée dans l'océan raisonnablement connue en font un traceur océanographique intéressant pour l'étude de la dynamique océanique à des échelles de temps de quelques années à quelques décennies (formation des eaux profondes, ventilation de la thermocline). Du fait de la faible activité spécifique du Kr85 (quelques dpm/m3 d'eau) la mesure de cet isotope exige des moyens de prélèvement lourds (200 l d'eau par échantillon) et une procédure analytique en plusieurs étapes : le dégazage "in situ" de grandes quantités d'eau de mer. De 3 à 4 l d'air dissous, dont 15 mu de Kr, sont récupérables à partir d'échantillons de 200 l d'eau de mer; la séparation quantitative du krypton total (15 mu l pour 4 l d'air) de l'échantillon gazeux conditionné en mer; le comptage du programme indigo (indian gas ocean) (1983) avec 3 campagnes dans l'océan indien de 1985 à 1987, notre laboratoire s'est doté de moyens de prélèvements lourds et a décidé de développer sa propre technologie de mesure du Kr85 océanique. Le travail que nous présentons concerne les deux premières étapes, désormais acquises de l'analyse du Kr85 océanique : nous avons étudié et réalisé une installation embarquable et fiable de dégazage sous vide capable d'extraire, sous un débit de 8 l/mn, les gaz dissous dans des échantillons de 200 l d'eau de mer. Cette unité d'extraction a permis le dégazage de 160 échantillons d'eau de mer (campagne indigo 1 et 2), avec un rendement > 91% (comparable aux résultats de Smethie, et un taux de contamination par du Kr atmosphérique de l'ordre de 0,05%. Parallèlement à la préparation logistique de ces campagnes, nous avons conçu et réalisé une installation de séparation qui permet de récupérer quantitativement le Kr total de l'échantillon océanique par une série d'élutions fractionnées sur charbon actif, suivie de la purification définitive et de la mesure du Kr par chromatographie en phase gazeuse. Seuls 4% des 15 mu l de Kr attendus (pour 4 l d'air) sont perdus.

Cette etude porte sur la circulation dans le secteur indien ouest de l'ocean austral, a partir des traceurs classiques des masses d'eau tels que la temperature et la salinite mais aussi a partir des traceurs transitoires (freons) et des isotopes stables de l'oxygene de l'eau et du carbone de tco 2. Les echantillons proviennent de stations prelevees durant les missions civa 1 (fevrier/mars 1993) et civa 2 (fevrier/mars 1996), le long d'une section meridienne a 30\e, entre l'afrique du sud (34\s) et l'antarctique (70\s). L'etude des parametres hydrologiques met en evidence trois zones distinctes : le courant des aiguilles, le courant circumpolaire antarctique et le courant allant vers l'ouest le long du continent antarctique. Aucune formation d'eau profonde n'a ete mise en evidence sur la pente continentale antarctique. D'apres les etudes precedentes, le bord est de la gyre de weddell est situe entre 20\e et 30\e. Ce travail montre que la gyre de weddell n'est pas observee sur les sections civa, a l'exception d'un meandre observe sur civa 1 vers 57\s. Les freons et les compositions isotopiques ont permis de mettre en evidence la presence d'une masse d'eau bien ventilee et nouvellement formee le long de la pente continentale antarctique qui n'etait pas observee sur les parametres hydrologiques. L'etude de ces traceurs montre que cette masse d'eau vient d'une zone de formation plus a l'est, dans la baie de prydz. Enfin, une analyse multiparametrique a ete realisee afin d'obtenir une information plus quantitative de la contribution des masses d'eau profondes et de fond. Le modele confirme l'influence plus importante des eaux de weddell vers 57\s lors de civa 1 par rapport au reste de la section et comparativement a civa 2. Il montre aussi la forte contribution de l'eau de la baie de prydz le long du continent antarctique, qui est a l'origine de la masse d'eau profonde observee sur les sections des traceurs transitoires et isotopiques.

Les traceurs transitoires tritium-helium3 et cfcs sont utilises pour la validation du modele de circulation generale oceanique global opa (lodyc). Ces traceurs anthropiques sont particulierement adaptes pour valider des processus de ventilation d'echelle de temps de quelques decennies, tels que la ventilation de la thermocline et la formation des eaux profondes et intermediaires. La validation du modele et l'analyse des simulations est realisee par comparaison avec des mesures obtenues lors de campagnes oceanographiques (geosecs, tto, ajax). Les simulations ont permis de tester la nouvelle parametrisation du melange vertical (tke) basee sur une equation d'evolution de l'energie cinetique turbulente, dont le principal avantage consiste a reproduire une couche melangee a la surface de l'ocean. La validation avec les traceurs transitoires anthropiques a permis de mettre en evidence le role essentiel de cette couche de melange et de son cycle saisonnier sur les processus de ventilation de l'ocean. La couche de melange a pour effet de renforcer l'injection et la subduction des traceurs dans la thermocline, et les simulations ont montre l'importance du cycle saisonnier et de la subduction hivernale dans le modele.