Master Science de la mer

Contenu

• Généralités.
• Caractéristiques de l'océan.
• Échanges de chaleur et d'eau entre l'océan et l'atmosphère.
• Masses d'eau - analyse hydrologique.
• Circulation océanique.
• Rôle du vent.
• Océans Austral, Atlantique, Indien, Pacifique, Méditerranée.
  • Caractéristiques géographiques.
  • Climatologie : Pressions, régime des vents, précipitations.
  • Circulation de surface.
  • Hydrologie, masses d'eau.

Contenu

• Les grands ensembles végétaux et la production primaire marine aux différentes échelles spatiales (local/régional/global).
• Stocks et flux de matière organique dans le domaine marin.
• La structuration générale des écosystèmes pélagiques (classes de taille, phytoplancton, zooplancton, réseau microbien, réseau trophique "classique", biogéographie et typologie).
• Contrôle hydrodynamique de la production primaire pélagique.
• Les écosystèmes benthiques.
  • Rôle du substrat dans la structuration et le fonctionnement.
  • Notions de faciès.
  • Communautés.
  • Associations.
  • Exemples d'écosystèmes benthiques contrastés (herbiers à magnoliophytes, coralligène méditerranéen, estrans rocheux, forêts d'algues, prés salés).
• Le couplage pélagos/benthos.

Océanographie chimique descriptive

• Rappel des principales caractéristiques physiques de l'océan indispensables pour expliquer la composition et la distribution des éléments chimiques dans l'eau de mer.
• Utilisation des traceurs chimiques en océanographie.

Les composants majeurs de l'eau de mer (L'eau de mer, un milieu complexe, principaux constituants, salinité)

• Exemples de variation de la composition relative des éléments majeurs.
• Origine et évolution de la composition chimique de l'eau de mer.

Distribution des gaz dissous dans l'océan (gaz inertes et réactifs)

• Dissolution et solubilité.
• Échange gazeux à l'interface air/mer.
• Processus affectant les gaz conservatifs dans l'eau de mer.
• Cas particulier des gaz biologiquement actifs.
• Intérêt de l'étude comparée de la distribution d'un gaz conservatif et d'un gaz trace réactif.

Le système des carbonates

• pH de l'eau de mer.
• Alcalinité.
• Équilibre thermodynamique du système.
• Variables et grandeurs mesurables.
• Acidification.

Distribution des éléments nutritifs dans l'océan et relation avec la circulation générale

• Les formes et fractions mesurables de l'azote, du phosphate et de la silice dans l'eau de mer.
• Utilisation des éléments nutritifs comme traceurs des masses d'eau.

Travaux Dirigés

• Mesure de la salinité.
• Mesures de l'oxygène dissous.
• Mesure de l'alcalinité.
• Mesures du pH Océanique.
• Mesures de l'azote et du phosphore.

Travaux Pratiques

• Dosage de l'oxygène dissous (Méthode de Winkler) et mesure de la salinité.
• Dosage de l'azote ammoniacal.
• Dosage des orthophosphates dans l'eau de mer.
• Mesure du pH et de l'alcalinité totale.
• Dosage de l'azote organique dissous et de l'azote organique particulaire.

Contenu

• Fonctions.
• Algèbre linéaire.
• Équations différentielles.
• Modèles.
  • Linéaire.
  • Logistique.
  • Lokta-Volterra.
  • NPZ.
  • NPZD.
• Éléments d'algorithmique et de programmation.

Contenu

• Variable aléatoire.
• Distribution de probabilité.
• Moments d'une variable aléatoire.
• Fonctions d'une variable aléatoire.
• Estimateurs.
• Convergence et grands théorèmes.
• Théorie des tests.
• Tests univariés de base.

Le cycle océanique global de l'azote

• Différentes formes d'azote réactif et réactions biogéochimiques.
• éservoirs et flux -océan, continent, atmosphère-.
• Perturbations anthropiques
• Processus de contrôle du cycle océanique de l'azote.
  • réservoir profond de nitrates et circulation thermohaline.
  • Contrôle biologique.
  • Modèle de Dugdale & Goering : productions nouvelle ou de regénération.
  • Production exportable.
  • Production exportée.
• Couplage diazotrophie/nitrification/dénitrification à l'échelle globale.
• Couplage entre le cycle continental et le cycle océanique.

Le cycle du phosphore

• Distribution et facteurs de contrôle du phosphate dans les milieux marins.
  • Le rôle du phosphate dans la limitation de la fixation d'azote et de la production océanique.
  • Distribution, composition et disponibilité des pools de phosphate dans l'océan.
  • Les sources - fleuves, atmosphère, volcans, processus hydrothermaux.
  • Les puits - enfouissement de la matière organique, adsorption sur les argiles et les oxohydroxydes de fer, enfouissement des phosphorites.
  • Temps de résidence.
• Le cycle biogéochimique du phosphate.
  • Cycle dans l'Océan Mondial.
  • Modèle du 1er ordre de Broecker & Peng.
  • Cycle dans l'océan de surface.
  • Modèle de Thingstad.
  • Changement climatique et hypothèse du shift de Karl.
  • Couplage avec les cycles des autres éléments biogènes (C, N, Si).
  • Études particulières dans les environnements où la disponibilité en phosphate minéral est faible (Mer Méditerranée, Pacifique tropical sud ouest).

Le cycle du silicium

• Le cycle biogéochimique du silicium.
  • Techniques d'étude des stocks et des flux.
  • Dissolution de la silice dans le milieu naturel.
  • Réactivité de la silice particulaire et constantes de dissolution.
  • Effet de la température.
  • Relation avec les processus de dégradation bactérienne.
  • Influence de la teneur en aluminium.
• Le cycle global du silicium dans les océans.

Le cycles biogéochimiques du fer dans l'océan (variables, processus, stocks et flux, bilans)

• Limitation par le fer de la production primaire dans les régions océaniques dites « à haute teneur en nutriments et à faible teneur en chlorophylle (HNLC) ».
• Techniques d'études du cycle du fer dans l'océan.

Les modèles numériques en biogéochimie.

• Modélisation directe et modélisation inverse.
• Un exemple de modèle simple.
  • Les modèles d'optimisation multi-paramétré (OMP) pour analyser la distribution des masses d'eau à partir de mesures physiques (température, salinité) et biogéochimiques (nutriments, oxygène dissout, alcalinité ...).

TD

• Disponibilité des nutriments, production primaire et export de carbone en mer Méditerranée.
• Assimilation et export de carbone et d'azote dans le Pacifique équatorial.
• Méthode du phosphore 33 pour estimer la disponibilité en phosphate.
• Méthodes de détermination des fractions de silice lithogénique et biogénique.
• Processus contrôlant la distribution des éléments traces dans l'océan mondial.
• Manipulation d'un modèle d'optimisation multi-paramétré (OMP) pour estimer l'origine des masses d'eau et la reminéralisation. Analyse des résultats et de leurs incertitudes.

Partie I

• Repères galiléen versus tournant avec la terre.
• Accélérations liées à la rotation.
• Équations de conservation (formes globale et locale, application à la masse, la chaleur, un traceur, la quantité de mouvement).
• Principales approximations.
• Conservation de la vorticité et conséquences.
• Équilibre géostrophique.
• Vent thermique.
• Équations shallow water (originales, linéarisées, intégrées).
• Tenseur des contraintes visqueuses et de Reynolds.
• Turbulence et fermeture turbulente.
• Solutions d'Ekman en profondeur infinie et finie.
• Spirale d'Ekman de fond.
• Solutions de Sverdrup, Stommel et Munk.
• Analyse de la circulation de bassin.

Partie II

• Ondes de gravité sans effet de la rotation terrestre et applications (seiches en bassin, résonances propres, mascaret, tsunamis).
• Ondes de période proche ou supérieure à la période inertielle locale et applications (ondes de Kelvin, Sverdrup, Poincaré, marée, storm-surge).
• Modifications de la célérité apportées par la rotation terrestre.
• Allure des courants associés à la présence des ondes.
• Superposition d'ondes, figures amphidromiques, analogie et différences avec les ondes stationnaires sans effet de rotation terrestre.
• Généralisation des résultats en milieu bi-couches (ondes internes, modifiées ou pas, et leurs applications :ondes de Kelvin internes guidées par une cote (upwelling), onde de Kelvin interne guidée par le guide d'onde équatorial: El Nino).

CM

• Référentiel - position en mer - cartographie - calcul de distances.
• Mesures des paramètres T, Conductivité, P et estimation des grandeurs dérivées.
• Mesures de paramètres « Biogéochimiques » (ex. Oxygène, Chl-A).
• Mesure de paramètres physiques.
• Introduction aux système d'observation océaniques :Différentes plateformes.
• Introduction à l'analyse de séries temporelles.

TD

• Préparation et restitution du travail en mer.
• Représentation graphique des données en océanographie.
• Rédaction du recueil de données.

TP

• Démonstration de différentes plate-formes de mesures (Stage en mer).
• Mesure de paramètres chimiques sur des échantillons collectés.

CM

• Introduction, définitions EDO/EDP, rappels mathématiques, discrétisation en différences finies.
• Élaboration de schémas classiques de discrétisation, discrétisation d'une EDP parabolique.
• Mise sous forme matricielle, discrétisation des conditions aux limites, généralisation en 2D/3D.
• Discrétisation EDP hyperbolique et elliptique, consistance.
• Étude de stabilité (méthodes de Fourier et matricielle), condition CFL, grille d'Arakawa.
• Grilles verticales et transformation des équations, schémas upwind, diffusion numérique, schémas TVD.
• Discrétisation temporelle, méthode des directions alternées, systèmes tridiagonaux, mode interne, externe.

TD

• Caractérisation d'EDPs, élaboration de schémas aux différences finies pour les dérivées première et seconde.
• Mise en place et analyse de la résolution numérique d'un problème caractérisé par une EDP hyperbolique.
• Étude de la discrétisation d'une équation de Burger (schéma QUICK et schéma TVD associé), résolution d'un système tridiagonal par la méthode de Thomas.
• Discrétisation et stabilité d'une équation d'advection-diffusion.

TP

• Advection-diffusion d'un contaminant, étude de stabilité, schémas explicite/implicite. Programmation en fortran 90, tracé des résultats avec python.

CM

• Historique de la modélisation numérique des fluides géophysiques et introduction à la plate-forme communautaire CROCO.
• Équations de la conservations de la masse, de la quantité de mouvement, de la chaleur et du sel.
• Modélisation de la turbulence océanique et principaux schémas de fermeture.
• Grilles numériques pour la modélisation océanique.
• Définition des conditions initiales et aux frontières.

TD

• Inscription comme utilisateur du code CROCO, téléchargement des logiciels et des données.
• Implémentation de la configuration de démonstration.
• Implémentation d'une configuration pour une région océanique choisie.
• Analyse des résultats numérique et comparaison avec littérature.
• Mise en ligne du rapport et de la présentation des résultats.

Contenu

• Modèles usuels à 2 ou 3 espèces.
• Modèles à n espèces.
• Modèles non structurés puis modèles structurés en taille, en âge et en espace.
• Modèles de réseaux trophiques et utilisation de ces modèles pour tester des hypothèses sur le fonctionnement des écosystèmes marins.
• Fonctions de Lyapounov.
• Critères négatifs de Bendixon et Dulac.
• Théorème de Poincaré-Bendixon.
• Critères de Routh-Hurwitz.