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Nouvelles recommandations pour l’application des modèles de Stokes à la vitesse de sédimentation des agrégats marins

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Les simulations numériques des cycles biogéochimiques des océans doivent représenter adéquatement les vitesses de sédimentation des particules (VS). Depuis des décennies, la loi de Stokes, qui permet d’estimer la vitesse de chute des particules à partir de leur densité et de leur taille, est largement utilisée. Mais si la loi de Stokes s’applique aux petites sphères lisses et rigides qui se déposent avec un faible nombre de Reynolds, elle n’est pas applicable aux agrégats marins dont la forme, la structure et la composition sont complexes. Les minéraux et le zooplancton peuvent modifier les agrégats phytoplanctoniques de manière à changer leur VS, ce qui pourrait améliorer l’applicabilité des modèles de Stokes. À l’aide de cylindres de roulement, nous avons produit expérimentalement des agrégats de diatomées en présence et en absence de minéraux et/ou de microzooplancton. Les minéraux et, dans une moindre mesure, le microzooplancton ont réduit la taille et la rugosité des agrégats et ont augmenté leur sphéricité et leur compacité. La loi de Stokes paramétrée avec une porosité fractale a modélisé de façon adéquate les relations taille-VS pour les agrégats chargés en minéraux. Les agrégats contenant uniquement du phytoplancton et ceux exposés au microzooplancton ont suivi l’équation de frottement généralisé de Navier-Stokes suggérant un effet indiscernable du microzooplancton et un coefficient de frottement trop complexe pour être calculé avec une hypothèse de Stokes. Nous avons comparé nos résultats avec un ensemble de données plus important de granulats marins lestés et non lestés. Cela a confirmé que les relations taille-VS pour les agrégats lestés peuvent être simulées par les modèles de Stokes avec une paramétrisation adéquate de la porosité fractale. Étant donné l’importance du lestage minéral dans l’océan, nos résultats pourraient faciliter la paramétrisation des modèles biogéochimiques pour un bassin de particules important dans l’océan et particulièrement dans la zone mésopélagique où le rapport matière organique particulaire/minéral diminue. Nos résultats renforcent également l’importance de la prise en compte de la porosité comme un prédicteur décisif de la VS des agrégats marins.

Vitesses de sédimentation en fonction de l’ESD (diamètre sphérique équivalent) pour les agrégats formés dans chaque cuve des quatre traitements et comparaison avec les attentes théoriques issues de différentes paramétrisations de la loi de Stokes et de l’équation de frottement généralisé de Navier-Stokes. P : phytoplancton ; PZ : phytoplancton + microzooplancton (rotifères) ; PM : phytoplancton + minéral (calcite) ; PMZ : phytoplancton + minéral + microzooplancton. a) Modèle 1, loi de Stokes avec des porosités constantes de 0 % (lignes pointillées) et de 99 % (lignes pleines). (b) Modèle 2, loi générale de Navier-Stokes avec des frottements constants de 1 (lignes pointillées) et 5 (lignes pleines), et une porosité constante de 99 %. (c) Modèle 3, loi de Stokes avec une porosité mise à l’échelle sur une géométrie fractale avec un coefficient a = 0,03 et D3 = 1,4 (lignes pointillées) et D3 = 1,8 (lignes pleines). (d) Modèle 4, loi générale de Navier-Stokes sur la friction avec une porosité mise à l’échelle sur une géométrie fractale avec un coefficient a = 0,03 et D3 = 1,4 (lignes pleines) et 1,8 (lignes pointillées). Voir le texte pour plus de détails sur le calcul de la friction.

Référence

Laurenceau-Cornec, E.C., Le Moigne, F.A.C., Gallinari, M., Moriceau, B., Toullec, J., Iversen, M.H., Engel, A., and De La Rocha, C.L. 2020. New guidelines for the application of Stokes’ models to the sinking velocity of marine aggregates. Limnol. Oceanogr. doi:10.1002/lno.11388.
Lien vers la revue :

Les squelettes d’éponges, un puits important de silicium dans l’océan

Le silicium (Si) est un élément essentiel dans le fonctionnement biogéochimique et écologique de l’océan. On pense que le cycle marin actuel du Si est en équilibre, c’est-à-dire que les apports à l’océan égalisent les sorties. Les apports proviennent majoritairement des rivières, et les sorties étaient considérées comme résultant essentiellement de l’enfouissement des squelettes de diatomées dans le sédiment. Dans cet article, nous montrons que des organismes non phototrophes, tels que les éponges et les radiolaires, avec leur squelette de silice, participent également de façon significative à l’enfouissement de Si au fond de l’océan. L’examen microscopique et le dosage des sédiments prélevés sur 17 sites à travers le monde ont révélé que le squelette des éponges est exceptionnellement résistant à la dissolution, et était passé inaperçu dans les inventaires biogéochimiques des sédiments. La conservation des spicules d’éponges dans les sédiments est de 45,2 %, alors qu’il est seulement de 6,8 % pour les tests de radiolaires et de 8,0 % pour les frustules de diatomées. Au total, les éponges séquestreraient 1,71 Tmol de Si an-1. Les radiolaires auraient une contribution minime avec 0.09 Tmol de Si an−1.  Collectivement, ces deux organismes non phototrophes augmentent le puits de silice de 28% et contribue à rétablir l’équilibre du cycle de la silice dont les apports dépassaient les sorties.

References

Maldonado, M., López-Acosta, M., Sitjà, C., García-Puig, M., Galobart, C., Ercilla, G., & Leynaert, A. (2019). Sponge skeletons as an important sink of silicon in the global oceans. Nature Geoscience. https://doi.org/10.1038/s41561-019-0430-7

 

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Séminaire de Julie Laroche professeure à l’Université de Dalhousie (Canada) le mardi 28 mai

Julie LaRoche, en séjour de professeure invitée au LEMAR dans le cadre de l’OFI et de l’EUR ISBlue, fera un séminaire le mardi 28 mai à l’IUEM en amphi D à partir de 11h00.

Julie LaRoche est professeure et titulaire d’une chaire de recherche du Canada en génomique microbienne marine et en biogéochimie, Département de biologie, Université Dalhousie, Nouvelle-Écosse, Canada.

Sa présentation aura pour titre: Dynamics of microbial community structure and marine dinitrogen fixation at a microbial observatory in the Northwest Atlantic Ocean.

Résumé :
La productivité primaire est limitée par la disponibilité de l’azote fixe dans de vastes régions des océans. La fixation de l’azote, seule voie d’entrée biologique dans le cycle de l’azote marin, est un processus biochimique énergétiquement coûteux qui réduit le gaz N2 en NH3, une forme d’azote fixe qui est facilement incorporée dans les biomolécules. Les fixateurs d’azote, ou diazotrophes, sont un groupe choisi de microorganismes procaryotes qui peuvent effectuer ce processus biochimique. Historiquement, la fixation de l’azote marin était considérée comme un processus effectué principalement par les cyanobactéries et important principalement dans les eaux oligotrophes tropicales et subtropicales. La récente prise de conscience de la grande diversité des microbes marins abritant l’enzyme azotase indique que nous ne comprenons pas pleinement les rôles des divers diazotrophes qui peuplent l’océan. Dans le contexte de l’Ocean Frontier Institute de l’Université Dalhousie, la structure et la fonction de la communauté microbienne dans l’Atlantique Nord-Ouest (ANO) ont été évaluées par séquençage de la prochaine génération de régions hypervariables des gènes 16S et 18S de l’ARNr, du gène nifH et de la métagénomique dans des stations existantes depuis 2014. Le gène nifH, un gène marqueur de la diazotrophie, a montré que les diazotrophes cyanobactériens et non cyanobactériens font partie des communautés microbiennes de nos observatoires microbiens dans l’ANO. La conférence portera sur la structure de la communauté microbienne de l’ANO, avec une attention particulière pour les diazotrophes. En particulier, les voies métaboliques potentielles identifiées à partir de l’annotation du génome d’un nouvel isolat bactérien appartenant à un clade de gamma-protéobactéries largement distribué dans la base de données de l’expédition Tara, seront examinées dans un contexte mondial.

 

LMI DISCOH

LMI DISCOH logo

L’objectif principal du LMI DISCOH est d’étudier les dynamiques océan-atmosphère, biogéochimiques et écologiques dans le SCH afin de comprendre et d’anticiper l’effet des variabilités intra-saisonnières, interannuelles, décennales et du changement climatique sur la dynamique de l’écosystème côtier. Le LMI contribue à la mise en œuvre effective de l’approche écosystémique des pêches.

D’un point de vue scientifique, le LMI “DISCOH” complète des projets en cours de développement (ANRs PEPS et TOPINEME, etc.) et vise à améliorer la coordination entre les projets. En particulier, le LMI vise à orienter les efforts de ses participants vers les grandes questions scientifiques transversales.

Par ailleurs le LMI “DISCOH” soutient le développement de Masters de haut niveau en sciences de la mer au Pérou en promouvant la participation de chercheurs de l’IRD et d’autres scientifiques étrangers (cours et encadrement de mémoires) et en soutenant les échanges d’étudiants et de professeurs, notamment dans la région.

Plus d’infos sur le site du LMI DISCOH

LMI TAPIOCA

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Les partenaires hôtes du Laboratoire mixte international TAPIOCA, l’Université Federale de Pernambuco (UFPE) et l’Université Federale Rurale de Pernambuco (UFRPE) collaborent de longue date avec l’IRD dans les sciences marines. Le Brésil a récemment reconnu l’importance majeure des ressources naturelles et des stocks de minerais le long de ses 7 500 km de côtes (appelées « Amazonie bleue » par les autorités brésiliennes) et les membres de l’équipe TAPIOCA sont impliqués dans divers projets scientifiques et universitaires visant à résoudre des questions clés sur les interactions biogéochimiques, physiques, biologiques et humaines dans l’océan Atlantique tropical.

Tapioca regroupe près de 90 scientifiques et étudiants impliqués dans des projets de recherche tels que les projets « Pirata », « Abraços » ou « Mafalda ». Le laboratoire va se focaliser sur les domaines de recherche liés aux changements climatiques et la planification spatiale marine. Le laboratoire permettra de renforcer les recherches dans le domaine et d’investir dans la formation de nouveaux étudiants.

L’objectif à moyen et long terme de TAPIOCA est la création d’un Centre inter-universitaire d’excellence en sciences marines tropicales avec tous les scientifiques impliqués.

Plus d’infos ici.