La variabilité à mésoéchelle du phytoplancton est de mieux en mieux comprise et documentée. Données et simulations numériques montrent que les vitesses verticales associées à l’instabilité barocline et aux structures tourbillonnaires qui en résulte varient de quelques mètres par jour à quelques dizaines de mètres par jour. Le temps de déplacement de la cellule dans la couche éclairée est donc du même ordre de grandeur que son temps de doublement, c’est-à-dire de l'ordre d'un à quelques jours. Les mouvements verticaux associés à l'activité mésoéchelle océanique stimulent donc la production primaire car ils sont responsables d'enrichissement local en nutriments sur des échelles de temps compatibles avec celles associées à la croissance du phytoplancton.

Par contre, les petites échelles de phytoplancton ont longtemps été considérées comme peu énergétiques, et résultant de la cascade turbulente bidimensionnelle. La vision classique est que l'injection (verticale) de nitrate dans la couche euphotique a lieu à grande échelle ou à mésoéchelle, et que par cascade turbulente bidimensionnelle (horizontale) le phytoplancton s'organise en petites échelles filamentaires. Cependant, un certain nombre d'études dynamiques, basées à la fois sur des observations et des expériences numériques, ont montrées que la dynamique sub-mésoéchelle est fortement agéostrophique, ce qui suggère que des injections importantes de nitrate peuvent avoir lieu à ces plus petites échelles.

Sur la base de ces considérations, un programme de recherche sur 3 ans, financé par l’ACI jeunes chercheurs (ministère de la recherche) a été initié en 1999 et s’achève. L’objectif principal était de mettre en évidence les mécanismes physiques susceptibles d’induire une augmentation notable de la production primaire sur des échelles horizontales ne dépassant pas la dizaine de kilomètres. Dans le cadre d’expériences numériques courtes (30 jours) menées dans un bassin académique de faible extension (canal périodique de 200 km de long) où régnait une activité turbulente fortement énergétique, des processus de frontogènese intenses ont pu être identifiés comme responsable d’une augmentation de la production primaire et de l’export d’un facteur deux. Par ailleurs, ces expériences ont mis en évidence des liens forts entre dynamique mésoéchelle et dynamique sub-mésoéchelle. En particulier, les vitesses verticales importantes associées à la mésoéchelle se trouvent piégées, près de la surface, dans des structures filamentaires. La conséquence importante au niveau biogéochimique est que la variabilité mésoéchelle ne peut être correctement appréhendée que si la sub-mésoéchelle est elle-même résolue, que ce soit au niveau des observations ou des modèles numériques. C’est essentiellement sur les bords des tourbillons et dans les filaments que les apports en nitrate sont les plus importants. Le centre des tourbillons, au contraire, est relativement bien isolé et enferme les conditions biogéochimiques de la zone de formation. A cela correspond un transport latéral (par opposition à vertical), qui se traduit par exemple par la présence de structures cycloniques riches en matière organique dans des zones très oligotrophes.

Les études proposées dans le cadre de ce projet visent à finaliser les résultats obtenus, et à les étendre aux échelles régionales et de bassin et sur un cycle annuel. C’est en effet à ces échelles là que la quantification de l’importance des mécanismes mésoéchelle et sub-mésoéchelle est réellement significative. Il faudra évaluer l'impact de ces mécanismes sur les bilans globaux de production, d'export et de reminéralisation. Si l'activité (sub-)mésoéchelle s'avère aussi importante qu'on le pressent, il sera nécessaire de bien comprendre régionalement l'ensemble des processus d'interaction impliqués. L'océan Atlantique servira de cadre à cette étude, car c'est un bassin qui a fait et fait encore l'objet de nombreux programmes de recherche et d'observations nationaux (EUMELI, POMME) et internationaux (NABE, BATS).

Le bassin Atlantique peut se décomposer en plusieurs régions types, chacune associée à un régime de production et d'export différents, ce qui permettra d'aborder une vaste gamme d'interactions entre la dynamique océanique et les cycles biogéochimiques et sera donc riche en enseignement. La gyre subpolaire se caractérise par une forte floraison, liée à un apport important de nutritifs en hiver, lorsque la couche de mélange est très profonde, et à la restratification de la colonne d'eau au printemps. La gyre subtropicale est très oligotrophe. Elle est associée à une production avant tout basée sur la régénération, et par un important export de matière organique dissoute. Le système est encore différent au niveau des upwellings côtiers (Mauritanie, Benguela), où la production, majoritairement nouvelle, varie au grès de l’intensité de l’upwelling. En outre, l’intensité de l’activité mésoéchelle (mesurable en terme d’énergie cinétique turbulente) varie également d’une région à une autre. La région du Gulf Stream, front fortement instable, est bien plus énergétique que la région Atlantique Nord Est, où l’on observe toutefois la présence de nombreux tourbillons. A ces différents niveaux d’énergie correspondent des échelles de temps dynamiques distincts, et vraisemblablement des réponses biogéochimiques différentes.

L’approche sera basée à la fois sur la modélisation et sur l’analyse d’images satellites issues de capteurs différents. Un des outils puissant pour l’étude des cycles biogéochimiques océaniques est le laboratoire numérique que constitue un modèle d’océan couplé à un modèle biogéochimique. Comme tout modèle, celui-ci est limité par des contraintes de complexité. Son succès repose alors sur l’intelligence des simplifications faites dans les limites imposées par ces contraintes. Une de ces contraintes est que toutes les échelles ne peuvent être résolues. Les modèles actuels d’océan mondial représentent les phénomènes physiques aux échelles supérieures à environ 100 km et ne résolvent pas la mésoéchelle, qui a un impact important à la fois sur la circulation océanique et sur les cycles biogéochimiques à grande échelle. La tendance actuelle est à un raffinement de la résolution des échelles (quart de degré dans le modèle global MERCATOR, dixième de degré dans le modèle de Los Alamos et le modèle Earth Simulator de Tokyo). Mais la résolution explicite de la sub-mésoéchelle pour un modèle réaliste de l’océan Atlantique est loin d’être à la portée des calculateurs actuels les plus puissants, et de ceux a venir. En effet, elle nécessite des grilles dont le maillage horizontal est de 2 km. L’étude des processus sub-mésoéchelle ne peut se faire que dans des configurations de dimension réduite.

Pour contourner ce problème, deux études de processus distinctes et complémentaires sont proposées. La première traitera le cas d’une dynamique de turbulence en équilibre statistiquement stationnaire. Elle permettra d’aborder l’impact des interactions entre de nombreuses structures mésoéchelles, et de résoudre pleinement les cascades turbulentes directes et inverses, dans le cadre d’un régime de turbulence et d’un régime biologique bien determinés. Le deuxième repose sur une configuration de type double-gyre. Dans cette configuration, pourront être abordés différents régimes biologiques et turbulents, mais cette fois seul un petit nombre de structures mésoéchelles seront résolues. Parallèlement, une autre approche sera suivie, basée sur l’analyse et la comparaison d’images satellites multi-capteurs haute résolution (SST, chlorophylle, SLA). Ces trois approches (turbulence statistique, double-gyre, images régionales) convergerons pour donner une image globale et quantifiée de la contribution de la dynamique de fine échelle sur les bilans biogéochimiques globaux (production primaire et export). La dernière étape consistera à mettre au point des paramétrisations des processus sub-mésoéchelle qui pourront être intégrées dans les modèles globaux.

Ce projet est complémentaire aux études de modélisation qui seront menées dans le cadre de POMME (Atlantique Nord-Est). Ici, il s’agit d’explorer les interactions entre la dynamique sub-mésoéchelle et la biogéochimie en balayant le mieux possible l’espace des paramètres associés à la dynamique d’une part et au régime de production d’autre part. Les résultats permettront de mieux rationaliser les situations rencontrées lors des campagnes POMME, et aideront à l’interprétation et à l’analyse des simulations biogéochimiques prévues dans POMME.