Estimation et analyse spatio-temporelle du carbone organique dissous pour l’océan mondial à partir de la télédétection de la couleur de l’eau

Abstract

Les dynamique du DOC, du CDOM, et de la production primaire phytoplanctonique sont très variables et temporellement découplées suivant la zone océanique considérée en raison, entre autre, des processus sources et puits qui les contrôlent, et d'une dynamique des couches de mélange et euphotique qui diffère suivant les régions océaniques. Le DOC présent contenus dans les océans représente un des plus grands réservoirs de carbone actif à l’échelle globale, stock qui serait équivalent à celui du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère (Hansell et Carlson, 2015). Le carbone organique dissous est constitué d'une partie labile (principalement produite par le phytoplancton et facilement utilisée par les bactéries), réfractaire (composée d'éléments chimiques à hauts poids moléculaires difficilement utilisable par les bactéries), et d'une composante intermédiaire , semi labile (ou semi réfractaire) dont les proportions varient considérablement le long de la colonne d'eau et en fonction du régime hydrologique et biologique (Carlson, 2002 ; Hansell, 2013). Par exemple, la proportion de DOC labile peut nettement augmenter en surface à la suite d'un bloom phytoplanctonique, alors que le mélange profond va induire une augmentation relative de DOC réfractaire en surface. L’activité microbienne a par ailleurs été identifiée comme impliquée dans la production de DOC réfractaire pouvant persister dans l’Océan plusieurs millénaires (Jiao et al., 2010). Ces différents compartiments de DOC sont également caractérisés par leur propre dynamique couvrant des échelles de temps très différentes. Dans le cadre de ce doctorat, nous allons nous intéresser au DOC de surface, qui est le seul potentiellement observable à partir d'observations satellites. L'objectif principale consiste à développer un algorithme pour estimer le carbone organique dissous (DOC) dans l'océan de surface, puis d' analyser ses variations temporelles à l'échelle globale en regard des variations de paramètres physiques et biogéochimiques. Contrairement aux approches stationnaires classiquement développées en couleur de l'océan (c'est-à-dire estimation d'un paramètre en fonction de la réflectance mesurée au même instant), on se propose ici de prendre en compte l'histoire de la masse d'eau, ainsi que le régime dynamique et biogéochimique de la région considérée (dynamique de la couche de mélange, température, régime lumineux, dynamique phytoplanctonique). L'approche proposée, encore jamais utilisée par la communauté, s'appuiera sur des analyses pluridisciplinaires effectuées à partir de i) séries temporelles de mesures in situ disponibles en différentes régions océaniques et d'une expérience en laboratoire, ii) de cartes globales des différents paramètres clés (acdom, Chl, PAR, Température, MLD, Salinité, etc). Deux pistes algorithmiques seront envisagées. La première, empirique, repose sur l'utilisation d'un réseau de neurone pour lequel les données de Chl, de acdom, de température et de salinité seront utilisées à des pas de temps à définir à partir des études qui seront entreprises sur les séries temporelles in situ. La seconde approche, semi-analytique, visera à exprimer la concentration de DOC en fonction de ces mêmes paramètres mais cette fois ci en distinguant le DOC réfractaire du DOC labile. L'algorithme développé et validé sera alors appliqué aux différentes séries de données couleur de l'océan de la série GlobColour (qui permet de sortir une incertitude pixel par pixel), incluant également OLCI (Sentinel-3). Les informations ainsi obtenues sur les stocks de carbone et leur dynamique dans l’océan ouvert seront mises en parallèle avec les résultats récemment obtenus dans l’océan côtier (ANR GlobCoast) pour obtenir une vision générale de cette composante majeure du cycle du carbone dans les océans.