Soutenance de thèse de FONVIEILLE Nadege
Titre de thèse
Structure des paysages océaniques tridimensionnels par l'analyse de données issues d'éléphants de mer du Sud
Structure des paysages océaniques tridimensionnels par l'analyse de données issues d'éléphants de mer du Sud
Résumé de la thèse
Les paysages océaniques sont organisés par des processus physiques et biogéochimiques à différentes échelles temporelles et spatiales, structurant les écosystèmes. Étudier ces paysages nécessite d'intégrer les dimensions horizontale, verticale et temporelle, ainsi que la variabilité propre à chaque niveau trophique. La variabilité du comportement des prédateurs marins reflète l'hétérogénéité de leur environnement, permettant d'identifier des zones de forte activité biologique. Si la concentration en phytoplancton peut être suivie par satellite, les niveaux trophiques intermédiaires (NTI), situés principalement en profondeur (> 200 m), sont plus difficiles à étudier, limitant la compréhension des interactions entre les prédateurs supérieurs, les NTI et leur environnement.
Cette problématique est particulièrement marquée dans l'océan Austral, abritant des colonies de prédateurs supérieurs parmi les plus importantes au monde. Dans cette thèse, notre approche multidisciplinaire combine des observations satellites/modèles avec des données in situ mesurées à partir de biologgers déployés sur des éléphants de mer du Sud (ES) dans les secteurs Indien et Atlantique de l'océan Austral. Ces grands plongeurs (60 plongées/jour jusqu'à 2000 m) sont utilisés comme bio-échantillonneurs. Un ensemble de capteurs embarqués sur ces animaux permet de les localiser en 3D et d'obtenir des mesures hydrologiques, comportementales ainsi que des données sur la distribution et l'abondance des NTI. Nous appliquons des méthodes d'analyse de données fonctionnelles (FDA) pour identifier des Domaines Océanographiques Fonctionnels (DOF), présentant une structuration hydrologique verticale caractéristique, et analyser la réponse des NTI et des prédateurs au sein de ces structures. En parallèle, nous proposons une méthodologie statistique originale issue des outils de FDA pour reconstruire des profils de variables hydrologiques partiellement acquis le long de la dimension verticale lors des plongées des ES. Nous proposons également une approche innovante pour analyser les données comportementales des ES, afin d'explorer les liens entre changements de comportement et modification des structures océanographiques.
Nous montrons que la zone de confluence des quatre DOF dans la région Patagonienne sont des sites où les ES rencontrent un succès de chasse accru. Ensuite, nous identifions cinq DOF dans le secteur Indien. Leur distribution, couplée aux données de microsonar, a permis d'observer des différences de comportement des prédateurs en relation avec la distribution des NTI. Cela suggère une variation de la communauté épi- et mésopélagique entre le Nord du Front Subantarctique et le Front Polaire (PF). Enfin, nous avons analysé la variabilité intra-DOF du domaine polaire, révélant un autre niveau de structuration avec une zone à l'Est du plateau de Kerguelen. Cette zone présente une abondance élevée de zooplancton et une accessibilité accrue des proies, associée à une concentration importante de phytoplancton. Le décalage du pic de bloom par rapport à Kerguelen suggère un découplage temporel et spatial entre la fertilisation des îles, ou un enrichissement lié à la circulation intense de la zone, et la formation d'un hotspot trophique.
Nos travaux montrent que les ES sont des échantillonneurs représentatifs de l'hétérogénéité de leur milieu, permettant ainsi de mieux comprendre la structure tridimensionnelle de l'océan Austral et d'accéder aux NTI dans des zones peu échantillonnées. Ils soulignent l'importance d'étudier la dynamique physique à plusieurs échelles en relation avec la dynamique phytoplanctonique, essentielle pour comprendre les champs de proies des prédateurs. Enfin, l'identification de zones favorables aux prédateurs au sein des DOF pourrait avoir des répercussions significatives sur la détection de hotspots en vue de la protection des océans.
Thesis resume
Oceanic landscapes are organized by physical and biogeochemical processes across different temporal and spatial scales, structuring ecosystems. Studying these landscapes requires integrating horizontal, vertical, and temporal dimensions, as well as the variability specific to each trophic level. The variability in the behavior of marine predators reflects the heterogeneity of their environment, allowing the identification of areas with high biological activity. While phytoplankton concentration can be monitored by satellite, intermediate trophic levels (ITL), primarily located at depth (> 200 m), are more difficult to study, limiting the understanding of interactions between top predators, ITL, and their environment.
This issue is particularly pronounced in the Southern Ocean, home to some of the largest colonies of top predators in the world. In this thesis, our multidisciplinary approach combines satellite/model observations with in situ data measured from biologgers deployed on southern elephant seals (SES) in the Indian and Atlantic sectors of the Southern Ocean. These deep divers (60 dives/day up to 2000 m) are used as bio-samplers. A set of sensors attached to these animals allows their 3D localization and provides hydrological, behavioral measurements, as well as data on the distribution and abundance of ITL. We apply functional data analysis (FDA) methods to identify Functional Oceanographic Domains (FOD), featuring characteristic vertical hydrological structuring, and to analyze the response of ITL and predators within these structures. Additionally, we propose an original statistical methodology based on FDA tools to reconstruct profiles of hydrological variables partially acquired along the vertical dimension during SES dives. We also propose an innovative approach to analyze SES behavioral data to explore the links between behavioral changes and modifications in oceanographic structures.
We show that the confluence zone of the four FOD in the Patagonian region are sites where SES experience increased hunting success. Next, we identify five FOD in the Indian sector. Their distribution, coupled with microsonar data, allowed us to observe differences in predator behavior related to ITL distribution. This suggests a variation in the epi- and mesopelagic community between the North Subantarctic Front and the Polar Front (PF). Finally, we analyzed the intra-FOD variability of the polar domain, revealing another level of structuring with a zone east of the Kerguelen Plateau. This zone presents a high abundance of zooplankton and increased prey accessibility, associated with a significant phytoplankton concentration. The shift in the bloom peak relative to Kerguelen suggests a temporal and spatial decoupling between island fertilization, or enrichment related to the area's intense circulation, and the formation of a trophic hotspot.
Our work shows that SES are representative samplers of their environment's heterogeneity, allowing for a better understanding of the three-dimensional structure of the Southern Ocean and access to ITL in poorly sampled areas. They highlight the importance of studying physical dynamics at multiple scales in relation to phytoplankton dynamics, essential for understanding predator prey fields. Finally, identifying favorable zones for predators within the FOD could have significant implications for detecting hotspots for ocean protection.