Biogeochemical cycles of the Mediterranean Sea: Processes and Budgets
Cycles biogéochimiques de la Mer Méditerranée : Processus et bilans
Résumé
The Mediterranean Sea is characterized by various trophic regimes due to river inputs, as well as heterogeneous nitrogen to phosphorus ratios and hydrodynamic processes, in particular vertical mixing. The objective of this thesis that was performed in the framework of the MISTRALS program is the study of the biogeochemical cycles of these various regimes that composed the Mediterranean. It is mainly based on the in situ observations collected during DeWEx project and on 3D physical/biogeochemical modeling at the scale of the entire basin and at the regional of the western sub-basin.
The first study is a ten-year basin scale study which allows an ecological classification, giving bioregions in function of their physical and biogeochemical properties. Southern oligotrophic areas in both eastern and western sub-basins are characterized by low efflorescence and deep nutriclines. While in the north, near Rhodes Island, in the southern Adriatic Sea and in the Liguro-Provencal sub-basin, the summer oligotrophic regime is altered annually by intense vertical dynamics, the deep convection. This process is considered as a driving force of the thermohaline circulation and entrains an enrichment of nutrients in surface layer which allows rapid and intense blooms in spring. The Mediterranean receives organic matter from the Atlantic Ocean, while, it is a source of inorganic matter for the Atlantic.
In a second part of this thesis, a high resolution model on the western sub-basin was embedded in the basin model to quantify the physical and biological processes that determine the temporal variability of the nutrient stocks and their stoichiometry. The north-western Mediterranean turns from an eutrophic regime during deep convection to an oligotrophic regime after the spring bloom. During the eutrophic regime new production dominates the primary production at the surface while during the oligotrophic regime primary production is essentially associated to subsurface regenerated one. Adjacent water masses of the convection zone and west-southern regions are characterized by a dominance of regenerated production all over the year.
La Méditerranée est caractérisée par une grande variété de régimes trophiques qui s’explique par les apports fluviaux, les ratios azote/phosphore particulièrement élevés dans le bassin oriental, et par les processus hydrodynamiques en particulier le mélange vertical dans les régions situées au nord. Cette thèse qui s’inscrit dans le cadre du projet MerMEX, composante du chantier MISTRALS, a pour objectif l’étude des cycles biogéochimiques en Méditerranée. Elle s’appuie en particulier sur les observations acquises dans le cadre du projet DeWEx et sur la modélisation couplée physique biogéochimie 3D. À l’échelle du bassin et à l’échelle régionale du sous-bassin occidental.
La première étude à l’échelle du bassin sur une période de 10 ans a permis d’effectuer une classification de régimes biogéochimiques, en fonction de leurs caractéristiques physiques et biogéochimiques. Les zones oligotrophes présentes au sud du bassin oriental et occidental sont caractérisées par une faible efflorescence et par de grandes profondeurs de nutriclines. Tandis qu’au nord du bassin, au large de Rhodes, en mer Adriatique et dans le bassin Liguro-provençal, le régime oligotrophe estival est suivi en hiver par une dynamique verticale intense, la convection profonde. Cette dernière est considérée comme le moteur de la circulation thermohaline. Elle entraine un enrichissement des eaux de surface en sels nutritifs qui permet une efflorescence rapide et intense au printemps. L’océan Atlantique représente une source de matière organique pour la Méditerranée. Cette mer représente en revanche une source de sels nutritifs pour l’Atlantique.
Ensuite, un modèle à très haute résolution a été imbriqué dans le modèle de bassin pour quantifier les processus physiques et biologiques qui déterminent la variabilité temporelle de la disponibilité et de la stœchiométrie des sels nutritifs en Méditerranée nord-occidentale. La convection profonde hivernale entraîne une homogénéisation des propriétés biogéochimiques sur la colonne d’eau, et une stœchiométrie vers des valeurs estivales. Cette région bascule d’un régime d’eutrophie lors de la convection profonde vers un régime oligotrophe après le bloom de printemps. Lors du premier régime la production primaire est dominée par une production nouvelle en surface, alors que lors du deuxième régime la production phytoplanctonique de subsurface est essentiellement régénérée. Les masses d’eau adjacentes à la zone de convection et celles situées au sud sont caractérisées par une dominance de production régénérée toute l’année. Une partie de la matière organique particulaire est exportée en dessous de la couche épipélagique. Cet export de matière organique est variable et est fortement lié à la dynamique verticale des masses d’eau.