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

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

Réunion OCAPI , le 10 Octobre 2013

1. 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).

2. 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.

3. 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.

4. La variabilité diurne du coefficient de rétrodiffusion des particules (bbp) est encore moins documentée que celle de cp. (Loisel et al., 2011)

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

1. Le coefficient de rétrodiffusion (bbp) peut être estimé depuis les observations couleur de l’eau.

Données satelliteReflectance (R) et

coefficient d’atténuation diffuse (Kd)

Paramètres biogéochimiques (COP,

MES,…)

bbp

Inversion (R ~ bb/a)(Gordon, 1989; Morel et Gentili, 2004).

Algorithmes (Loisel et al., 2002; 2006; Stramski et al., 1999).

2. 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.

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

Observations de la couleur de l’eau à partir de l’orbite géostationnaire: future mission OCAPI “Ocean color advanced Permanent Imager”

1. Quand les conditions d’éclairement et de géométrie le permettent: accéder à la variabilité haute fréquence (échelle horaire) des phénomènes à évolution rapide.

2. 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.

3. 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.

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

Partie 1

1. Analyser et caractériser les cycles diurnes de cp et bbp associées à différentes conditions environnementales.

2. Comparer les cycles diurnes de cp et bbp.

3. Interpréter l’origine de cette variabilité.

Partie 2 (en cours)

4. Etudier la propagation de la variabilité diurne des IOPs (cp & bbp) vers les AOPs (Kd & R).

5. Etudier la faisabilité de quantifier cette variabilité à partir des observations géostationnaires.

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

Partie 1

1. Analyser et caractériser les cycles diurnes de cp et bbp associées à différentes conditions environnementales.

2. Comparer les cycles diurnes de cp et bbp.

3. Interpréter l’origine de cette variabilité.

Partie 2 (en cours)

4. Etudier la propagation de la variabilité diurne des IOPs (cp & bbp) vers les AOPs (Kd & R).

5. Etudier la faisabilité de quantifier cette variabilité à partir des observations géostationnaires.

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

Principaux résultats de la partie 1

Les cycles diurnes de cp et bbp sont caractérisés par une augmentation le jour et une diminution la nuit.

Augmentation diurneCroissance (↑taille)Fixation du carbone (↑n)

Diminution au cours de la nuitRespiration et perte de matériels cellulaires (↓n, ↓taille)Division cellulaire (↓PSD, ↑Nombre)Broutage (↓ Nombre)

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; …

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

1. 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.

Partie 11. Analyser et caractériser les cycles diurnes de cp et bbp associées à

différentes conditions environnementales.

2. Comparer les cycles diurnes de cp et bbp.

3. Interpréter l’origine de cette variabilité.

Partie 2 (en cours)4. Etudier la propagation de la variabilité diurne des IOPs (cp & bbp) vers

les AOPs (Kd & R).

5. Etudier la faisabilité de quantifier cette variabilité diurne à partir des observations géostationnaires.

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

1. Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE.

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

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.

1. Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE.

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

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.

1. Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE.

2. 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 )

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.

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

Les variations journalières de bb (timing, forme) et a (amplitude) sont à l’origine des variations de R observées.

1. Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE.

2. 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.

3. Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs a l’aide de Hydrolight et comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPs in situ.

IOPs in situ AOPsHydrolight AOPs in situComparaison

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

IOPs in situ AOPsHydrolight AOPs in situComparaison

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

IOPs in situ AOPsHydrolight AOPs in situComparaison

1. Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE.

2. 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.

3. Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs à partir de Hydrolight et de comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPs in situ.

4. Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires (méthode d’inversion).

AOPs IOPsInversion IOPs in situComparaison

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

1. Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE.

2. 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.

3. Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs à partir de Hydrolight et de comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPs in situ.

4. Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires (méthode d’inversion).

AOPs IOPsInversion IOPs in situComparaison

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

1. Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE.

2. 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.

3. Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs à partir de Hydrolight et de comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPs in situ.

4. Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires (méthode d’inversion).

AOPs IOPsInversion IOPs in situComparaison

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

Difficile d’obtenir des estimations précises de bbp à partir de R et Kd pour les eaux claires.

1. Caractériser les changements journaliers observés pour R et Kd à partir des données BOUSSOLE.

2. 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.

3. Etudier l’origine de la variabilité observée au niveau des AOPs à partir de Hydrolight et de comparer les AOPs issus du modèle avec les AOPs in situ.

4. Etudier la faisabilité de quantifier la variabilité diurne à partir des observations géostationnaires (méthode d’inversion).

5. 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.

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion

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).

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).

« Background » Motivations Objectifs Résultats Conclusion