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New guidelines for the application of Stokes’ models to the sinking velocity of marine aggregates

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Numerical simulations of ocean biogeochemical cycles need to adequately represent particle sinking velocities (SV). For decades, Stokes’ Law estimating particle SV from density and size has been widely used. But while Stokes’ Law holds for small, smooth, and rigid spheres settling at low Reynolds number, it fails when applied to marine aggregates complex in shape, structure, and composition. Minerals and zooplankton can alter phytoplankton aggregates in ways that change their SV, potentially improving the applicability of Stokes’ models. Using rolling cylinders, we experimentally produced diatom aggregates in the presence and absence of minerals and/or microzooplankton. Minerals and to a lesser extent microzooplankton decreased aggregate size and roughness and increased their sphericity and compactness. Stokes’ Law parameterized with a fractal porosity modeled adequately size‐SV relationships for mineral‐loaded aggregates. Phytoplankton‐only aggregates and those exposed to microzooplankton followed the general Navier‐Stokes drag equation suggesting an indiscernible effect of microzooplankton and a drag coefficient too complex to be calculated with a Stokes’ assumption. We compared our results with a larger data set of ballasted and nonballasted marine aggregates. This confirmed that the size‐SV relationships for ballasted aggregates can be simulated by Stokes’ models with an adequate fractal porosity parameterization. Given the importance of mineral ballasting in the ocean, our findings could ease biogeochemical model parameterization for a significant pool of particles in the ocean and especially in the mesopelagic zone where the particulate organic matter : mineral ratio decreases. Our results also reinforce the importance of accounting for porosity as a decisive predictor of marine aggregate SV.

Sinking velocities vs. ESD (equivalent spherical diameter) for aggregates formed in each tank of the four treatments and comparison with theoretical expectations from different parameterizations of Stokes’ Law and the general Navier‐Stokes’ drag equation. P: phytoplankton; PZ: phytoplankton + microzooplankton (rotifers); PM: phytoplankton + mineral (calcite); PMZ: phytoplankton + mineral + microzooplankton. (a) Model 1, Stokes’ Law with constant porosities of 0% (dashed lines) and 99% (solid lines). (b) Model 2, general Navier‐Stokes’ drag law with constant drags of 1 (dashed lines) and 5 (solid lines), and a constant porosity of 99%. (c) Model 3, Stokes’ Law with a porosity scaled on a fractal geometry with coefficient a = 0.03 and D3 = 1.4 (dashed lines) and D3 = 1.8 (solid lines). (d) Model 4, general Navier‐Stokes’ drag law with a porosity scaled on a fractal geometry with coefficient a = 0.03 and D3 = 1.4 (solid lines) and 1.8 (dashed lines). See the text for details on drag calculation

Reference

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.
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The Silicon Cycle: The Forgotten Silicified

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Le cycle du silicium est une thématique historique du LEMAR qui possède une forte visibilité internationale grâce à notre implication dans les programmes et consortium internationaux comme BioGeoSCAPES, IMBER, IODP, GEOTRACES, OPALEO, PAGES et SILICAMICS. Nous avons développé une approche transdisciplinaire, incluant la chimie, la biogéochimie, la paléo-océanographie, la biochimie, la physiologie, la biologie et, nouvellement, la génomique. Nous utilisons par ailleurs différents outils expérimentaux et de modélisation et des approches multi-échelles, depuis des expériences au laboratoire qui permettent de mieux comprendre les processus influençant le cycle du Si jusqu’à de grandes campagnes internationales d’observation du milieu naturel. Le «Si-group» a initié en 2015 le cycle de conférences internationales SILICAMICS autour du rôle des organismes silicifiants dans le fonctionnement des écosystèmes marins et dans les cycles biogéochimiques océaniques. SILICAMICS s’est poursuivie au Canada en 2018, et une 3 ème édition est en préparation en Chine (2021). Suite à ces conférences, l’article de Nature Geoscience (Tréguer et al., 2018) combine les compétences d’experts en physique, biogéochimie, génomique et modélisation pour faire le point sur l’efficacité d’export des diatomées ; l’issue spéciale de Frontiers in Marine Science (Moriceau et al. 2019) rassemble 12 articles couvrant les thèmes de SILICAMICS et deux ANRs (BIOPSIS et RADICAL) ont vu le jour, mettant en évidence la nécessité de réévaluer le rôle des silicifiés oubliés dans le cycle du Si (voir AR2.2 CHIBIDO). Ces épisodes ont de plus été moteurs dans la création d’un consortium puis d’une école internationale et cours en ligne (Silica School) réunissant 31 instituts de recherche de 12 pays. De nombreux chercheurs invités régulièrement au LEMAR garantissent le dynamisme et la visibilité de cette thématique du LEMAR au niveau international.

 

Pour en savoir plus :

Le cycle du silicium dans l’océan moderne : https://www-iuem.univ-brest.fr/cycle-du-silicium-dans-locean/

Research topic dans Frontiers in Marine Sciences: Biogeochemistry and Genomics of Silicification and Silicifiers

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APERO

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