thèse CNES-region PACA (2010-2013) Laboratoire d’Océanographie de Villefranche (UMR7093)

Variabilité diurne des propriétés optiques dans l’océan à partir des observations de la couleur de l’océan au site BOUSSOLE (mer Méditerranée). Malika KHEIREDDINE Directeur de thèse: David ANTOINE thèse CNES-region PACA (2010-2013) Laboratoire d’Océanographie de Villefranche (UMR7093) Observatoire Océanologique de Villefranche (OOV) Réunion OCAPI , le 10 Octobre 2013

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion • La variabilité diurne des propriétés optiques est associée au cycle jour-nuit de la lumière et aux processus planctoniques associés. Ce phénomène a été observé in situ et peut être reproduit en laboratoire. (Siegel et al., 1988 , Claustre et al., 1999; 2002, Gernez et al., 2011). • Les mesures en laboratoire ont montré que les variations diurnes du coefficient d’atténuation des particules (cp) sont principalement causées par des changements d’indice de réfraction et de distribution de taille des particules.(Stramski and Reynolds, 1993) Cependant, les études en laboratoire ne sont pas représentatives de l’environnement naturel. • Quelques connaissances sur la variabilité diurne de cp ont été obtenues à partir de mesures de terrains (campagnes océanographiques). Cependant, les campagnes sont souvent limités à quelques jours, ce qui empêche une généralisation des résultats. En conséquence, l’origine de la variabilité diurne est encore mal connue. • La variabilité diurne du coefficient de rétrodiffusion des particules (bbp) est encore moins documentée que celle de cp. (Loisel et al., 2011)

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion • Le coefficient de rétrodiffusion (bbp) peut être estimé depuis les observations couleur de l’eau. Données satellite Reflectance (R) et coefficient d’atténuation diffuse (Kd) Algorithmes (Loisel et al., 2002; 2006; Stramskiet al., 1999). bbp Paramètres biogéochimiques (COP, MES,…) Inversion (R ~ bb/a) (Gordon, 1989; Morel et Gentili, 2004). • Les processus biogéochimiques peuvent être étudiés depuis les observations de la couleur de l’eau. La plupart de ces processus, tels que l’activité photosynthétique et la division cellulaire sont associés au cycle jour-nuit de la lumière.Seuls, les futures satellites géostationnaires seront adaptés pour étudier ces processus depuis l’espace.

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion • Observations de la couleur de l’eau à partir de l’orbite géostationnaire: future mission OCAPI “Oceancoloradvanced Permanent Imager” • Quand les conditions d’éclairement et de géométrie le permettent: accéder à la variabilité haute fréquence (échelle horaire) des phénomènes à évolution rapide. • Quand ces conditions ne sont pas réunis: obtenir au moins une observation exploitable par jour et accroître la densité d’observations et les possibilités de suivi temporel. • Etudes potentielles: • Variabilité diurne des propriétés optiques et relations avec la physique et la biogéochimie • Couplage physique-biologie à (sub) méso-échelle • Transport des sédiments et aérosols • Dynamique des environnements et écosystèmes côtiers • … Etudes scientifiques en amont sur les cycles diurnes des propriétés optiques (IOPs et AOPs) sont nécessaires.

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion Partie 1 Analyser et caractériser les cycles diurnes de cp et bbp associées à différentes conditions environnementales. Comparer les cycles diurnes de cp et bbp. Interpréter l’origine de cette variabilité. Partie 2 (en cours) Etudier la propagation de la variabilité diurne des IOPs (cp & bbp) vers les AOPs (Kd & R). Etudier la faisabilité de quantifier cette variabilité à partir des observations géostationnaires.

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion Principaux résultats de la partie 1 • Diminution au cours de la nuit • Respiration et perte de matériels cellulaires (↓n, ↓taille) • Division cellulaire (↓PSD, ↑Nombre) • Broutage (↓ Nombre) • Augmentation diurne • Croissance (↑taille) • Fixation du carbone (↑n) Les cycles diurnes de cp et bbp sont caractérisés par une augmentation le jour et une diminution la nuit. Siegel et al., 1989; Cullen et al., 1992 ; Walsh et al., 1995; Stramski and Reynolds, 1993; Durand and Olson, 1998; Claustre et al., 2002; Durand et al., 2002; …

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion Des cycles diurnes de cp et bbp sont observés quelque soit la saison. 2. L’amplitude des cycles diurnes de cp varient en fonction de la saison contrairement à bbp. 3. Le timing des cycles diurnes de bbp est différent de celui de cp en dehors du bloom. Les maxima de bbp sont observés avant ceux de cp.

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion • Partie 1 • Analyser et caractériser les cycles diurnes de cp et bbp associées à différentes conditions environnementales. • Comparer les cycles diurnes de cp et bbp. • Interpréter l’origine de cette variabilité. • Partie 2 (en cours) • Etudier la propagation de la variabilité diurne des IOPs (cp & bbp) vers les AOPs (Kd & R). • Etudier la faisabilité de quantifier cette variabilité diurne à partir des observations géostationnaires.

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion 1. Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. Les variations journalières de R (560 et 443 nm) sont généralement caractérisées par une augmentation allant du lever du jour au midi solaire (± 3 heures) puis par une diminution du midi solaire (± 3 heures) au coucher du soleil.

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion 1. Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. Les variations journalières de Kd (560 et 443 nm) sont caractérisées par une légère augmentation du lever du jour jusque quelques heures avant le midi solaire puis par une diminution le reste de la journée. Contrairement aux variations de R, les variations de Kd sont peu variables d’un jour à l’autre.

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion • Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. • Comprendre l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs, i.e l’impact de a et bb sur R et Kd (R ~ bb/a et Kd ~ a) à partir des données in situ. Exemple pour R (R ~ bb/a ) Les variations journalières de bb (timing, forme) et a (amplitude) sont à l’origine des variations de R observées. Exemple de variations journalières de bb, a et R à 560 nm durant le 10/08/2006 pour différents cas (A, B, C et D). Les parties grisées représentent la période nocturne.

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion • Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. • Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs, i.e l’impact de a et bb sur R et Kd (R ~ bb/a et Kd ~ a) à partir des données in situ. • Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs a l’aide de Hydrolight etcomparer les AOPs issus du modèle avec les AOPsin situ. AOPs AOPsin situ IOPsin situ Comparaison Hydrolight

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion AOPs AOPsin situ IOPsin situ Comparaison Hydrolight

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion • Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. • Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs, i.e l’impact de a et bb sur R et Kd (R ~ bb/a et Kd ~ a) à partir des données in situ. • Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPsà partir de Hydrolightet de comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPsin situ. • Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires (méthode d’inversion). AOPs IOPs Comparaison IOPsin situ Inversion

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion • Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. • Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs, i.e l’impact de a et bb sur R et Kd (R ~ bb/a et Kd ~ a) à partir des données in situ. • Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPsà partir de Hydrolightet de comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPsin situ. • Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires (méthode d’inversion). AOPs IOPs Comparaison IOPsin situ Inversion Difficile d’obtenir des estimations précises de bbp à partir de R et Kd pour les eaux claires.

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion • Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE. • Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs, i.e l’impact de a et bb sur R et Kd (R ~ bb/a et Kd ~ a) à partir des données in situ. • Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs à partir de Hydrolightet de comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPsin situ. • Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires (méthode d’inversion). • Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires en prenant en compte l’incertitude ajoutée par les problèmes d’inversions et de corrections atmosphériques.

Résultats « Background » Motivations Objectifs Conclusion 1. Des variations journalières de R et Kd ont été observées à partir des mesures in situ. 2. Théoriquement, la variabilité diurne de bbp serait principalement la cause de la variation observée (à poursuivre). 3. Possibilité de reproduire plus ou moins bien les AOPs à partir des IOPs via hydrolight(à poursuivre pour comprendre l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs ). 4. Pas évident de retrouver le cycle diurne de bbp à partir des AOPs via les algorithmes d’inversion (il faudrait améliorer les algorithmes d’inversion).

thèse CNES-region PACA (2010-2013) Laboratoire d’Océanographie de Villefranche (UMR7093)