Projet de thèse - Inria Sophia Antipolis

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Projet de thèse
Ecole doctorale n◦ 84 : Sciences et Technologies de l’Information et de la communication, Université de
Nice Sophia Antipolis.
Unité de recherche et équipe interne : INRIA Sophia Antipolis, projet COMORE
Lieu : INRIA Sophia Antipolis et Laboratoire Océanologique de Villefranche (UMR 7093)
Directeur de thèse : Jean Luc Gouzé (INRIA) - codirecteurs : Eric Benoît (mathématiques, INRIA) ,
Lars Stemmann (biologie, Villefranche)
Contact scientifique : email : [email protected]
Titre : Modélisation mathématique du plancton, structurée en taille. Conséquence sur la séquestration du
carbone dans l’océan.
Description du projet : Le « grand » public et la communauté scientifique s’intéressent à la relation
entre la variabilité du climat et son effet sur les écosystèmes marins. On sait que le plancton est le principal
responsable de la séquestration du carbone et qu’il est sensible aux variations du climat. De nombreuses
évidences suggèrent que les changements ne sont pas uniquement locaux mais aussi globaux, qu’ils ne sont pas
lents mais abrupts, modifiant profondément la productivité et les ressources marines et la capacité de l’océan à
séquestrer le carbone.
Figure 1: Le symbole ∗ indique que la structuration en taille est fondamentale
Le sujet proposé vise à participer à un effort de compréhension et de modélisation de l’écosystème planctonique à l’échelle globale. L’effort de modélisation portera notamment sur la représentation du spectre de taille
du phytoplancton, du zooplancton et des détritus. Le phytoplancton incorpore le dioxyde de carbone (gaz à
effet de serre) dans des molécules organiques constitutives des individus du phytoplancton. Ceux ci sont ensuite
consommés par le zooplancton et les organismes des niveaux trophiques supérieurs. Des déchets (dissous et sous
forme de particules) sont produits par ces processus trophiques. La taille des producteurs, des consommateurs
et des déchets est un paramètre déterminant pour la sédimentation des particules non vivantes au fond des
océans. Un écosystème producteur de grandes particules aura donc tendance à piéger plus de carbone qu’un
écosystème produisant des déchets de petite taille. Or les modèles biogéochimiques actuels (dont les modèles du
GIEC) ne prennent pas suffisamment en compte la taille dans la représentation des flux verticaux de carbone
vers le fond des océans. Les paramétrisations sont souvent trop simples notamment pour le zooplancton et
les déchets ou même non complètement validées (Gehlen et al., 2006). Il est donc fondamental d’améliorer les
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modèles utilisés notamment par comparaison avec des données. La taille des organismes vivants et non vivants
est maintenant une des variables les plus rapidement mesurées par les récents systèmes d’imagerie.
Nous disposons au Laboratoire d’Océanographie de Villefranche sur Mer d’une base de donnée sur les spectres
de taille de grands groupes taxonomiques et des particules marines dans différents points du globe depuis les
années 1970 et aussi d’une bonne expertise écologique des interactions trophiques dépendant de la taille. Cette
expertise et les données serviront aussi à la conception et au calibrage du modèle qui sera retenu. Il existe dans
la littérature quelques modèles qui prennent en compte la taille (Baird et al 2007; Maury et al., 2007) et ils
serviront de base de réflexion pour la thèse. Un point important est que ce modèle soit suffisamment simple pour
être incorporé dans des modèles à dimension spatiales. Cela nécessitera une approche mathématique poussée.
Les modèles qui seront écrits sont des équations différentielles non linéaires, ou des équations aux dérivées
partielles ou encore des équations fonctionnelles où l’opérateur contient des produits de convolution. Une étude
mathématique sera faite, aidée par des simulations, pour étudier la stabilité du système, les discontinuités,
les ondes de choc éventuelles, la sensibilité aux paramètres... Toutes ces questions relèvent de la technique
mathématique et seront étudiées en raison de leur intérêt écologique.
Bibliographie succinte :
• Baird, M. E., et al. (2007). "A Size-Resolved Pelagic Ecosystem Model." Ecological Modelling 203(3-4):
185-203.
• Gehlen, Marion, et al. (2006). "Reconciling Surface Ocean Productivity Export Fluxes and Sediment
Composition in a Global Biogeochemical Ocean Model." Biogeosciences 3: 521-537.
• Maury, Olivier, et al. (2007a). "Modeling Environmental Effects on the Size-Structured Energy Flow
through Marine Ecosystems. Part 1: The Model." Progress in Oceanography 74(4): 479-499.
• Maury, Olivier, et al. (2007b). "Modeling Environmental Effects on the Size-Structured Energy Flow
through Marine Ecosystems. Part 2: Simulations." Progress in Oceanography 74(4): 500-514.
• Benoît, Eric, et Rochet, M.J. (2004). "A continuous model of biomass size spectra governed by predation
and the effects of fishing on them." Journal of Theoretical Biology, 226, 9-21.
• Blanchard, Julia, et al. (2008) "How does abundance scale with body size in coupled size-structured food
webs", submitted to Journal of Animal Ecology
Déroulement du travail : Le thésard devra dans un premier temps adapter à la problématique des
modèles déjà développés pour chacune des variables (phytoplancton, zooplancton, détritus). Il devra veiller à ce
que les modèles mathématiques restent suffisamment simples pour être utilisables même après avoir spatialisé le
problème. Il devra aussi identifier les paramètres de ces modèles à l’aide des mesures disponibles à Villefranche.
Il fera une étude mathématique de leurs propriétés, aidée par des simulations.
Il faudra ensuite connecter ces différents modèles pour en faire un modèle global du comportement de la
biomasse (plancton et détrirus) dans l’océan, avec une attention particulière pour le phénomène de sédimentation. Toujours aidé de la théorie mathématique et des simulations, il devra décrire les propriétés de ce modèle.
On aura alors obtenu l’ingrédient cherché, à fournir aux experts du changement climatique pour étudier la
pompe biologique.
Connaissances et compétences requises :
Le candidat, ayant une formation en mathématiques appliquées, devra avoir déjà montré son intérêt pour la
modélisation mathématique appliquée à la biologie ou à l’écologie. Il devra posséder le bagage mathématique
usuel en équations différentielles et équations aux dérivées partielles.