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L’impact du changement climatique sur la biodiversité et sur les écosystèmes marins

Le changement climatique affecte les organismes marins. Les poissons, les mollusques ou même les communautés microbiennes subissent les modifications de la température de l’eau, du pH et de la teneur en d’oxygène, et ce, à différents stades de leur cycle de vie. A ces contraintes s’ajoutent d’autres facteurs comme la surpêche ou la pollution des océans. Parmi les espèces, certaines peuvent réussir à s’adapter, d’autres migreront ou ont déjà commencé, et enfin certaines risquent de disparaître, perturbant les interactions que les espèces entretiennent entre elles et l’écosystème dans lequel elles évoluaient.

Le flet, poisson estuarien en première ligne

Dans les estuaires, là où les eaux douces des fleuves rencontrent les eaux salées de la mer, de nombreuses espèces trouvent refuge. Certaines s’y abritent la quasi-totalité de leur cycle de vie, d’autres viennent s’y nourrir ou s’y reproduire. Dans ces mêmes zones, les activités humaines sont très présentes (aménagements portuaires, industries, pêche…) et les polluants issus des bassins versants composés des effluents domestiques, industriels et agricoles s’accumulent. C’est également un milieu où le réchauffement climatique se fait davantage ressentir puisque les eaux, peu profondes, sont plus susceptibles de voir leur température augmenter.

Des scientifiques du Laboratoire des sciences de l’environnement marin (LEMAR) tentent de comprendre les impacts de ces pressions sur le cycle de vie des espèces estuariennes. Ils étudient notamment l’effet de ces conditions environnementales particulières sur le flet, poisson plat qui vit l’intégralité de son cycle biologique en estuaire. On le retrouve sur toute la façade atlantique, de la Finlande au Portugal. Il y a 30 ans, les populations de flet étaient présentes jusqu’à la pointe ibérique, mais la limite sud de leur aire de répartition s’est déplacée et se trouve désormais à 150 km au nord de Lisbonne. C’est un des effets du réchauffement climatique.

Les chercheurs étudient les réponses du flet à ce qu’ils appellent des stress multiples : contamination de leur milieu par des polluants et réchauffement climatique. Ils ont pu démontrer que les populations de flet qui vivent dans des estuaires particulièrement pollués, comme c’est le cas de l’estuaire de la Seine, ont d’autant plus de mal à faire face à une augmentation de la température. Ce résultat a été obtenu en 2015 en étudiant des populations de jeunes poissons. Ils poursuivent aujourd’hui leurs travaux afin de d’étudier l’impact du réchauffement sur les différents stades du cycle de vie de ce poisson en fonction du niveau de contamination du milieu. Lancé en 2018, le projet POPEST va comparer différents estuaires, qu’ils soient très pollués, comme l’estuaire de la Seine ou beaucoup moins, comme le Belon (Sud-Finistère).

Contact au Laboratoire des sciences de l’environnement marin (LEMAR) : jean.laroche@univ-brest.fr

Quand la coquille Saint Jacques délivre ses secrets

Il y a plus de 20 ans, des chercheurs de l’IUEM ont découvert que la coquille Saint Jacques renfermait une mine d’informations. Tout commence en 1995, quand à l’occasion d’une thèse, des bandes blanches sont constatées sur le bord de toutes les coquilles récoltées en rade de Brest. En les observant à la loupe binoculaire, les scientifiques comptent presque toujours le même nombre de petites stries. Ils mettent en évidence la concomitance de l’apparition de ces stries avec un bloom d’algues toxiques ayant eu lieu au mois de juillet. Les chercheurs parviennent alors à démontrer que les coquilles forment une microstrie par jour.

La coquille devient un précieux instrument permettant de décrypter les variations de l’environnement comme la température ou la teneur en oxygène. Lorsqu’il y a plus d’espace entre les stries, c’est que la croissance s’est accélérée car la coquille a eu accès à plus de lumière et plus de phytoplancton. Une manière d’étudier le réchauffement climatique, en rade de Brest, ou encore en Terre Adélie, où des coquillages similaires fournissent des informations sur la période d’ouverture des glaces pendant l’été. Une manière également de remonter dans le temps puisque certains de ces animaux vivent 400 à 500 ans et permettent d’étudier les environnements passés.

Contact au Laboratoire des sciences de l’environnement marin (LEMAR) : yves-marie.paulet@univ-brest.fr

Repère : La circulation océanique

Dans l’océan, il existe une circulation rapide de surface, engendrée par les vents, et une circulation large et plus lente, due en majeure partie à la densité de l’eau.

La direction des courants de surface est également influencée par la force de Coriolis due à la rotation de la Terre. Dans l’hémisphère Nord, ils dévient vers la droite alors qu’ils dévient en sens inverse dans l’hémisphère Sud. Ces courants sont à l’origine des tourbillons océaniques.

Le Gulf Stream est le plus important courant de surface de l’Atlantique nord. Il transporte les eaux chaudes des Caraïbes vers le nord et adoucit ainsi le climat de l’Europe du Nord.

Les courants profonds sont influencés par la densité de l’eau. L’eau plus dense plonge dans les profondeurs alors que l’eau moins dense remonte à la surface. La densité dépend de la température et de la salinité de l’océan. L’eau salée est plus dense que l’eau douce et l’eau froide plus dense que l’eau chaude. Cette circulation de l’eau liée à la fois à la température et à la salinité est aussi appelée circulation thermohaline.

Les différences de densité créent un mélange des masses d’eau en profondeur appelé convection. Cette convection profonde océanique est un des moteurs de la circulation thermohaline. Celle-ci fonctionne comme un grand « tapis roulant « et effectue le tour des océans de la planète en un peu moins de mille ans. Elle redistribue la chaleur entre les zones polaires et équatoriales, avec une forte influence sur le climat mondial.

Repère : L’acidification de l’océan

L’acidification est un processus qui conduit à la diminution du pH (mesure de l’acidité d’un liquide) de l’océan. Elle est due au fait qu’une partie du CO2 rejeté dans l’atmosphère par les activités humaines (transport, industrie) se dissout au contact de l’océan. Bien que le pH de l’océan reste basique, il a diminué d’un dixième depuis l’ère industrielle et est actuellement autour de 8,2. Ce qu’il n’a pas connu depuis des millions d’années. Ce changement a des conséquences sur la calcification de nombreux organismes marins comme les moules, les huitres ou les coraux. Il altère également la capacité du plancton à stocker du carbone, ce qui a un effet sur la pompe biologique de carbone. Le pH de l’océan pourrait être inférieur à 8 d’ici la fin du siècle. L’acidification accélérée de l’océan risque d’affecter les sociétés humaines qui dépendent des écosystèmes marins, soit environ 40% de la population mondiale.

La circulation océanique et son rôle dans le transport et la redistribution de l’énergie

La circulation océanique redistribue la chaleur en réchauffant le climat de certaines régions ou en baissant les températures d’autres régions. Elle permet également d’enfouir du CO2 présent dans l’atmosphère au fond des océans. Mais ces phénomènes risquent d’être affectés par le réchauffement de climatique.

Il reste encore beaucoup de choses à comprendre sur les interactions entre la circulation océanique et le climat. Les principaux défis des chercheurs sont donc d’amplifier l’observation de l’océan, d’améliorer la compréhension des processus qui sont à l’œuvre et de développer des modèles numériques permettant de reproduire la circulation océanique afin d’aboutir à des projections climatiques plus précises pour le futur.

Le projet OVIDE : observer l’océan pour mieux le comprendre

La 9ème mission OVIDE est partie le 13 juin 2018 de Brest pour sillonner l’Atlantique nord. Des chercheurs du laboratoire d’océanographie physique et spatiale (LOPS) et des chercheurs de l’Institut de recherche marine de Vigo en Espagne effectuent des mesures (pression, température, salinité ou encore pH) du Portugal au Groenland tous les deux ans, depuis 2002, pour étudier la masse d’eau et la structure des courants océaniques. Il s’agit d’établir une série temporelle et d’identifier les anomalies de température. Objectif : surveiller la température et la salinité des eaux à différents endroits de l’Atlantique nord, comprendre la variabilité de la circulation thermohaline (en grec, thermos signifie la température, et halos le sel) et étudier le stockage du CO2 dans l’océan. Ce phénomène de stockage constitue la pompe physique de carbone, qui entraîne les eaux de surface chargées en CO2 dissous vers les couches plus profondes où il se trouve isolé de l’atmosphère.

Le 12 février 2018, un article, publié dans Nature par des chercheurs du LOPS, a mis en avant une augmentation de la convection profonde et de l’acidification des océans au niveau de l’Atlantique Nord. Les chercheurs ont remarqué que, depuis 2014, les eaux de surface chargées en CO2 à cause des rejets dus aux activités humaines pénétraient davantage en profondeur, ce qui a un impact sur l’acidification des océans et la survie d’organismes marins calcificateurs tels que les coraux. Il s’agit d’une anomalie entre ce qui est observé et ce qui est projeté par les modèles climatiques. Ces derniers prévoient, au contraire, que l’augmentation des précipitations et la fonte des glaces du Groenland apporteront une quantité croissante d’eau douce dans l’Atlantique Nord provoquant ainsi un ralentissement de la circulation thermohaline. La campagne de juin-juillet 2018 permet de continuer à suivre cette évolution.

Meridional overturning circulation conveys fast acidification to the deep Atlantic Ocean. F. Perez, Fiz & Fontela, Marcos & García-Ibáñez, Maribel & Mercier, Herlé & Velo, Anton & Lherminier, Pascale & Zunino, Patricia & de la Paz, Mercedes & Alonso-Pérez, Fernando & F. Guallart, Elisa & Padin, X. (2018). Nature. 554. 10.1038/nature25493. Contact : herle.mercier@ifremer.fr

Le programme Argo révolutionne l’observation de l’océan

Depuis les années 2000, le programme Argo scrute l’océan via des flotteurs profileurs qui dérivent dans tous les océans du monde. Il y en a aujourd’hui plus de 4000, qui réalisent des mesures de salinité, de température, de pression ou encore de chlorophylle depuis la surface jusqu’à 2km de profondeur. En changeant leur volume, ces robots remontent à la surface tous les 10 jours et effectuent des mesures qu’ils transmettent ensuite par satellite. Avant cela, les données étaient très sporadiques ce qui ne permettait pas d’expliquer le cycle saisonnier de l’océan.

Le programme Argo répond à un besoin fondamental : comprendre la variabilité de l’océan et ses causes en interaction avec l’atmosphère car l’océan intègre le changement de l’atmosphère sur le long terme. Il stocke la chaleur, le carbone et l’eau douce. Les mesures réalisées dans le cadre d’Argo permettent d’étudier cette capacité de stockage et de suivre son évolution. Contrairement aux satellites, Argo permet également d’étudier l’océan en trois dimensions, c’est-à-dire également en profondeur. Le traitement des données montre une augmentation de la quantité de chaleur dans l’océan global sur les dernières années, une chaleur principalement stockée dans les couches de surface de l’océan.

Argo est un exemple de coopération scientifique puisque plus de 30 pays contribuent au réseau en déployant chaque année des flotteurs. Les données récoltées sont partagées entre les chercheurs de tous les pays du monde. Des mesures biogéochimiques ont été ajoutées afin d’étudier les écosystèmes des océans. Par ailleurs, le défi pour les dix prochaines années est d’en savoir plus sur l’océan profond car Argo n’étudie pour l’instant que la moitié du volume de l’océan. Des flotteurs résistant à de fortes pressions et permettant de descendre jusqu’à 4000-6000m de profondeur sont actuellement testés.

Site web : https://www.argo-france.fr ; Contact : nicolas.kolodziejczyk@univ-brest.fr

Etudier les tourbillons océaniques, pour améliorer les projections climatiques

Si la circulation océanique semble à première vue s’écouler lentement, effectuant peu à peu le tour de la planète, les choses sont en réalité un peu plus compliquées. L’océan est soumis à des turbulences dont de nombreux mystères restent encore à percer. Les tourbillons jouent un rôle crucial dans la dynamique naturelle de l’océan mais sont encore peu connus. Ils contiennent 70% de l’énergie des océans et participent au transport de chaleur et de masse. Leur échelle est variable selon la latitude, ou encore selon les saisons. Certaines structures peuvent s’étendre sur des centaines de kilomètres et durer pendant des mois alors que les plus petites ne sont larges que de 30 à 100 km. Ce sont ces dernières qui sont pourtant les plus énergétiques.

Les modèles de climats utilisés actuellement ne sont pas capables d’intégrer les phénomènes de tourbillons océaniques, surtout ceux de moyennes ou de petites échelles. Ils décrivent donc des courants moyens mais négligent toutes les fluctuations aux alentours. Pourtant, lorsque l’on parvient à incorporer les tourbillons dans les projections, en utilisant par exemple des modèles simulant des climats régionaux, on constate que l’océan devient très actif et que cela génère des variations sur des mois voire sur des dizaines d’années. Prendre en compte les tourbillons dans les modèles, voir quels sont les impacts sur le climat et comparer avec ce qui est réellement observé est un des enjeux du travail réalisé par les chercheurs du LOPS. Développer des modèles numériques plus précis permettra d’améliorer les projections océaniques et donc les modèles climatiques qui tentent de prévoir le réchauffement climatique global pour les prochaines années.

Contact : Laboratoire d’Océanographie Physique et Spatiale, Equipe «Océan et Climat», thierry.huck@univ-brest.fr

L’Arctique, une région au cœur des enjeux climatiques

Comprendre les variations en Arctique est un autre défi important sur lequel travaillent les chercheurs. Cette région, située au pôle nord de la planète et plus ou moins recouverte de glace selon les saisons, est encore peu connue. Les recherches ne remontent qu’aux 10 dernières années. Pourtant, la fonte de la banquise arctique est un des principaux signaux de changement climatique. Un phénomène qui a des conséquences économiques et un impact sur la biodiversité. Les chercheurs tentent donc de répondre à un certain nombre de questions pour comprendre à la fois le rôle de l’océan dans la fonte de la banquise mais également les conséquences de la fonte des glaces sur l’océan et le climat.

Contact : Laboratoire d’Océanographie Physique et Spatiale, Equipe «Océan et Climat», camille.lique@ifremer.fr

Repère: L’acidification de l’océan

Repère: La circulation océanique

Repère : la stratification de l’océan

Dans l’océan, les masses d’eau sont disposées en différentes couches, selon leur densité. La densité varie en fonction de la salinité et de la température. L’augmentation de la température produit une couche d’eau plus chaude et donc plus légère qui limite le brassage et la ventilation de l’océan ainsi que l’apport de nutriments venant des eaux profondes vers la surface. L’océan Arctique est, par exemple, un milieu très stratifié.

La pompe biologique de carbone, régulatrice du climat

L’océan joue un rôle fondamental de régulateur du climat. Mais, s’il contribue à ralentir le changement climatique, les émissions de CO2 viennent également perturber des processus naturels avec des impacts plus ou moins certains sur les écosystèmes marins.

Le phytoplancton, acteur de la pompe biologique de carbone

A la surface de l’océan, vivent des algues microscopiques qui dérivent, connues sous le nom de phytoplancton. Elles ont accès à la lumière du soleil et utilisent son énergie pour faire de la photosynthèse. Elles transforment ainsi le CO2 et produisent plus de la moitié de l’oxygène que nous respirons. Le carbone fixé par ces organismes permet de nourrir les animaux marins. Les particules (pelotes fécales, cellules mortes, détritus) migrent ensuite vers le fond. Une petite partie atteint les profondeurs et est alors stockée dans les sédiments pour des millénaires. On appelle ce phénomène la pompe biologique de carbone. Il limite la quantité de CO2 présent dans l’atmosphère et participe à la régulation du climat.

Le projet BioPSis

BioPSis est un projet du LEMAR qui s’intéresse à deux types de phytoplancton acteurs de la pompe biologique de carbone : les diatomées et les cyanobactéries. Les diatomées sont des algues microscopiques avec une carapace à base de silice (composant du verre) qui sont à l’origine d’un quart de l’oxygène que nous respirons. Elles produisent également une très grande quantité de matière organique, à la base de la chaîne alimentaire marine. Les cyanobactéries sont des bactéries photosynthétiques qui sont apparues il y a 3,5 milliards d’années. On les retrouve généralement dans les eaux chaudes. Elles peuvent également cumuler de la silice et forment ainsi des agrégats de matière organique qui transportent le carbone vers les profondeurs de l’océan.

Le but de BioPSis est d’étudier l’efficacité de ces deux types d’algues dans la pompe biologique de carbone dans le contexte du changement climatique et dans deux milieux différents : l’océan Arctique pour les diatomées et la mer des Sargasses pour les cyanobactéries. Le changement climatique modifie les courants marins, ce qui diminue la quantité de nutriments présents à la surface des océans. L’enjeu est de savoir quel est l’impact de cette limitation en nutriments sur le comportement des diatomées et des cyanobactéries et si celui-ci limite le transport de carbone vers les profondeurs.

Le projet Greenedge

Greenedge est un projet international multidisciplinaire auquel participe le LEMAR. Son objet d’étude: le phénomène de bloom printanier en Arctique. Dans cette région, le phytoplancton est essentiellement composé de diatomées et de dinoflagellés. Au printemps, la fonte des glaces permet à la lumière de s’infiltrer et aux nutriments de remonter à la surface favorisant ainsi le développement des micro-algues. L’explosion massive du nombre de cellules phytoplanctoniques est appelée le bloom, qui est à la base de toute la chaîne alimentaire.

Avec le changement climatique et la diminution de l’étendue de la banquise, il arrive que le bloom ait lieu plus tôt dans l’année. Il peut également y avoir un autre bloom à l’automne. Les chercheurs tentent de mieux comprendre les grands cycles biogéochimiques et l’impact sur le réseau trophique en Arctique, c’est-à-dire sur l’ensemble des chaînes alimentaires reliées entre elles dans cet écosystème.

Le projet BioPSis, financé par l’Agence nationale de la recherche (ANR) pour une durée de 4 ans, a commencé le 1er février 2017. Il est coordonné par Brivaëla Moriceau du LEMAR.

Le projet Greenedge est financé par l’ANR 2014 – 2019. Il est porté par l’Unité Mixte Internationale Takuvik, issue d’un partenariat entre l’Université de Laval (Canada) et le CNRS. Le LEMAR est partenaire du projet. Site pédagogique pour découvrir l’océan Arctique et le projet Greenedge : http://www.aoa.education/fr

Contact: brivaela.moriceau@univ-brest.fr

 

Repère: la stratification de l’océan

Repère: l’eutrophisation

L’eutrophisation est due à un excès de substances nutritives (nitrate et phosphate). Ce processus peut être naturel ou être le résultat des activités humaines (ruissellement des engrais, rejets d’eaux usées). Il provoque une multiplication excessive de certaines algues dans le milieu aquatique entrainant parfois des phénomènes de « marées vertes ». La décomposition des algues conduit à une diminution de la teneur en oxygène pouvant provoquer la mort des organismes tels que les poissons, les coquillages et les mollusques.

Quand l’activité de l’homme vient masquer la variabilité naturelle

Les carottages réalisés dans les sédiments marins permettent d’analyser les microfossiles qui s’y trouvent et d’obtenir une mine d’information sur les climats passés. Cette technique permet également d’étudier des événements plus récents. C’est ce qui a été fait par des chercheurs du Laboratoire géosciences océan (LGO) et du Laboratoire des sciences de l’environnement marin (LEMAR) qui se sont penchés sur les changements environnementaux de ces 150 dernières années en rade de Brest. L’enjeu : déterminer qui de l’homme ou du climat a le plus influencé ces changements.

Parmi les microfossiles passés à la loupe par les scientifiques, on peut citer les foraminifères, forme de zooplancton avec une coquille calcaire ou encore les dinoflagellés, algue unicellulaire qui produit un kyste calcaire. Ces dernières permettent de donner des informations sur les conditions à la surface des mers, comme la salinité et la température. Les dinoflagellés peuvent aussi être étudiés en parallèle avec les pollens, ce qui permet d’obtenir des informations sur les conditions marine et terrestre et de retracer l’histoire des bassins versants, c’est-à-dire d’un territoire comprenant un cours d’eau et ses affluents, sur les dernières centaines, voire même les derniers milliers d’années.

Les analyses effectuées à partir des carottages réalisés en rade de Brest ont mis en évidence l’influence des activités humaines à partir de 1945. Les pollens qui s’y trouvent permettent de retracer les changements dans l’agriculture (regroupement des surfaces cultivées et réduction des haies) qui ont favorisé le ruissellement. Les kystes des dinoflagellés, quant à eux, donnent des indications sur la présence d’algues toxiques liée aux fertilisants utilisés. Après 1985, les résultats montrent une forte eutrophisation des eaux de surface. Celle-ci est provoquée par le fort ruissellement des eaux fluviales contenant des fertilisants combinée à des températures de l’air anormalement élevées.

Publication du laboratoire géosciences ocean (LGO): Human-induced river runoff overlapping natural climate variability over the last 150 years: Palynological evidence (Bay of Brest, NW France), Clément Lambert, Aurélie Penaud, (2018) Global and Planetary Change
Contact: aurelie.penaud@univ-brest.fr

Repère: l’eutrophisation

Repère : les climats de la Terre

Depuis le début de son histoire il y a 4,6 milliards d’années la Terre a connu des bouleversements importants et des climats très divers. Les premiers milliards d’années, l’intensité du soleil était bien plus faible qu’aujourd’hui. Mais le climat était pourtant très chaud. Ceci est dû à la concentration en gaz à effet de serre dans l’atmosphère qui était beaucoup plus élevée. Elle pouvait atteindre 40 000 parties par millions (ppm) soit cent fois plus qu’aujourd’hui. Sur la Terre primitive, la température de l’océan pouvait même monter jusqu’à 60°C.

A l’échelle des dizaines de millions d’années, la tectonique modifie l’apparence de la Terre : de la création de supercontinents à leur dislocation, de la formation d’océans et de mers à leur disparition, en passant par l’élévation de chaines de montagnes. Toutes ces transformations ont un impact sur le climat et sur le cycle du carbone. A deux reprises, il y a 720 et 635 millions d’années, la Terre s’est même presque complètement englacée. C’est ce que l’on appelle la Terre «boule de neige».

Au quaternaire, de 2,5 millions d’années à aujourd’hui, la position des continents est globalement telle qu’on la connaît aujourd’hui et le climat est marqué par la succession de périodes glaciaires et interglaciaires. A cette époque, la Terre a compté jusqu’à quatre calottes de glaces, alors qu’aujourd’hui il n’y en a que deux : le Groenland et l’Antarctique. C’est également à cette époque qu’apparaît le genre Homo. Les forages réalisés en Antarctique mettent en évidence des bulles piégées dans la glace durant les 800.000 dernières années. Celles-ci fournissent des informations sur les quantités de CO2 présents dans l’atmosphère.

De nos jours, les activités humaines modifient les quantités de CO2 présentes dans l’atmosphère et dans l’océan. En dégageant des gaz à effet de serre, l’homme influence le climat et les cycles naturels de la planète à une vitesse sans précédent. Les scientifiques étudient ces processus naturels ainsi que l’impact de l’homme sur son environnement.

Voyage dans le passé grâce aux bassins sédimentaires

La crise de salinité messinienne (datant du Messinien, période allant de -7 à -5 millions d’années) est un des évènements sur lequel se penchent les scientifiques. Celle-ci a eu lieu il y a 6 millions d’années et a conduit à l’asséchement presque complet de la Méditerranée, avec un impact important sur le climat et la végétation de la région.

Pour étudier cet événement, les chercheurs travaillent à partir d’images sismiques obtenues par l’émission d’ondes dans le sol. En Méditerranée, ils ont retrouvé des dépôts de sel dans les sédiments et ont alors cherché à expliquer leur provenance. Il se trouve qu’à cette époque, la tectonique des plaques modèle le visage de la Terre. Elle provoque notamment la fermeture d’un passage au nord du Maroc correspondant à l’actuel détroit de Gibraltar. Les échanges d’eau entre l’Atlantique et la Méditerranée se réduisent. Cette dernière s’évapore alors petit à petit, jusqu’à se transformer en vastes bassins d’eau très salée. Ce sont ces dépôts de sel que les scientifiques ont retrouvé dans les sédiments marins.

Mais comment la Méditerranée est-elle redevenue telle qu’on la connaît ? En continuant d’étudier les dépôts sédimentaires, les scientifiques ont pu montrer qu’une gigantesque inondation a permis à la Méditerranée de se remplir à nouveau. Vers 5,3 millions d’années, la formation du détroit de Gibraltar a permis l’invasion des eaux atlantiques, entraînant la formation d’une cascade d’un kilomètre de haut au niveau de la Sicile. On estime que l’ouest de la Méditerranée s’est rempli en seulement deux ans !

Contact : Marina Rabineau et Marc André Gutscher du Laboratoire géosciences océan (LGO): marina.rabineau@univ-brest.fr