Soutenance de thèse de Roxane TZORTZIS

Cette thèse a pour objectif d’étudier la circulation océanique à fine échelle et son impact sur le phytoplancton. La circulation océanique à fine échelle est caractérisée par des structures de l’ordre de quelques kilomètres, et de courte durée de vie (jours/semaines). La taille et le caractère éphémère de ces structures rendent leur étude par les mesures in situ particulièrement difficile, expliquant qu’elles aient été principalement étudiées grâce aux modèles numériques. Ces derniers ont montré que la dynamique à fine échelle joue un rôle clé dans de nombreux processus biogéochimiques, en particulier sur la production primaire. En effet, les vitesses verticales générées par des structures telles que les fronts ou les filaments, peuvent contrôler l’injection de nutriments dans la zone euphotique et influencer le développement du phytoplancton. Cependant des incertitudes demeurent, en particulier concernant l’influence des fronts sur la distribution des organismes phytoplanctoniques. Pour pallier à ce manque de connaissance il est indispensable d’enrichir les résultats issus de modèles numériques par ceux obtenus grâce aux mesures réalisées in situ. C’est pourquoi, il est nécessaire de développer des méthodologies pour effectuer des campagnes en mer capables d’échantillonner à haute fréquence spatiale et temporelle les structures de fine échelle, afin de suivre leur rapide évolution. Pour cibler les structures d’intérêt à mesurer in situ, l’utilisation conjointe des modèles numériques et des observations satellites s’avère être très efficace. C’est dans cette optique qu’a été menée la campagne PROTEVSMED-SWOT 2018, en Méditerranée occidentale, au sud des îles Baléares. La première partie de la thèse a été consacrée à l’exploitation des données de cette campagne. Ce travail a consisté dans un premier temps, à identifier une structure de fine échelle, en l’occurrence un front, à partir des données satellites et des mesures physiques réalisées in situ (ADCP, SeaSoar, TSG, etc). Les données de cytométrie en flux, récoltées automatiquement à haute fréquence, ont ensuite été exploitées afin d’identifier les groupes fonctionnels phytoplanctoniques présents et d’étudier leur répartition spatiale de part et d’autre de ce front. Dans la seconde partie de la thèse, un modèle de croissance du phytoplancton a été appliqué aux données de cytométrie, afin de reconstruire le cycle cellulaire et la dynamique du phytoplancton. L’objectif était d’expliquer la distribution particulière des abondances de phytoplancton, observée de part et d’autre du front. En effet, ce modèle a permis de calculer les taux de croissance et de division cellulaire des différents groupes phytoplanctoniques, dans les deux masses d’eau séparées par le front. Le contraste des taux de croissance et de division dans ces deux masses d’eau, contribue à expliquer la distribution des abondances de phytoplancton observée dans la première partie de ce travail. Bien que l’impact des fine échelles et en particulier des fronts sur la structure et la dynamique des communautés phytoplanctoniques ait déjà été mis en évidence par des travaux de modélisation, peu d’études in situ ont été menées à ce jour. De plus, la plupart de ces études ont eu lieu dans des courants comme le Gulf Stream ou le Kuroshio, régions connues pour générer des fronts intenses et persistants. L’originalité de cette thèse vient du fait que l’influence des fronts sur le phytoplancton a été aussi retrouvée en Méditerranée, dans une zone frontale moins énergétique et plus éphémère que celles décrites dans les études précédentes. D’autre part, cette région s’avère être très oligotrophe, comme la grande majorité de l’océan global. Enfin, la méthodologie mise en place au cours de cette thèse, ainsi que l’ensemble des données recueillies durant la campagne PROTEVSMED-SWOT 2018, serviront de base à la future campagne BIOSWOT prévue dans la zone de cross-over du satellite SWOT, quelques mois après son lancement en 2023.

Finescale ocean circulation is characterized by structures in order of 1 to 100 kilometers in size, with a short lifetime (few days/weeks). The size and the ephemeral nature of these structures make their study by in situ measurements particularly difficult, explaining why they have been principally studied thanks to numerical models. Numerical simulations have shown that finescale dynamics play a key role in biogeochemical processes. Indeed, finescale structures such as fronts or filaments are often suitable places for the generation of vertical velocities, which can control the injection of nutrients into the euphotic zone, influencing the phytoplankton communities. However, the influence of these frontal structures on the distribution of phytoplanktonic microorganisms is still misunderstood. As a consequence, in situ measurements performed at high spatial and temporal frequency are necessary to study the physical-biological coupling at finescale. Currently, the combination of numerical simulations and satellite observations appears to be an effective tool to support in situ sampling of finescale structures. The first part of this thesis was dedicated to the exploitation of data collected during the PROTEVSMED-SWOT 2018 cruise, led in the western Mediterranean, South of the Balearic Islands. This work has consisted in identifying and characterizing a finescale structure, in this case a front, using satellite data and in situ physical measurements (ADCP, SeaSoar, TSG, etc.). Then, flow cytometry data collected at high temporal resolution along the track of the ship have evidenced several functional phytoplankton groups, with contrasted spatial distribution across the different water masses separated by the frontal structure. In the second part of this thesis, a phytoplankton growth model was applied using these flow cytometry data in order to reconstruct the phytoplankton diurnal cycle and dynamics. The objective was to explain the particular distribution of the phytoplankton abundance observed in the frontal area. This model successfully computed the growth and cell division rates for the various groups of phytoplankton identified by flow cytometry, in the two water masses separated by the front. The contrast in growth and division rates in these two water masses helps to explain the distribution of phytoplankton abundances observed in the previous part of this work. Although the impact of frontal finescale structures on the dynamics of phytoplankton communities has already been highlighted by modeling work, only few in situ studies have been carried out. In addition, most of these studies have been led in intense currents such as the Gulf Stream or the Kuroshio which are regions known to generate intense and persistent fronts. The originality of this thesis lies in the effect of the front on the phytoplankton community evidenced in a frontal area located in the south-western Mediterranean Sea, less energetic and more ephemeral than the regions described in the previous studies. Moreover, the study region is characterized by oligotrophic conditions, like most of the global ocean. Finally, the methodology improved during this thesis, as well as all the data collected during the PROTEVSMED-SWOT 2018 cruise, pave the way for the future BIOSWOT cruise in spring 2023 which will take place in the cross-over area of the new satellite SWOT, a few months after its launch.