Résumé

La présente publication est une version condensée de la dissertation défendue à l'Université de Liège et pour laquelle le grade académique d'Agrégé de l'Enseignement Supérieur a été conféré à l'unanimité le 28 janvier 2002. Le milieu pélagique océanique occupe la majeure part de la planète. Il est le lieu initial de la vie et un des réservoirs de la biodiversité mondiale. L'écosystème planctonique y joue un rôle essentiel dans la production de matière organique consommable par les poissons, dans l'exportation des éléments biogènes vers le fond des océans et dans le contrôle des gaz à effet de serre.  L'étude scientifique de l'écosystème planctonique est interdisciplinaire par essence. D'une part, la diversité des assemblages biotiqués planctoniques et la multiplicité des facteurs qui contrôlent leur fonctionnement requièrent l'acquisition et la comparaison d'informations lors de campagnes océanographiques sur divers océans de la planète. D'autre part, la dépendance de la structure spatiale et temporelle des communautés planctoniques vis-à-vis des contraintes hydrodynamiques impose une approche couplée écohydrodynamique de cet écosystème.  Par sa nature l'écosystème planctonique ne se prête guère à l'expérimentation. Son étude fait appel à l'acquisition de données et à la modélisation. Ces deux voies sont complémentaires et ont été utilisées lors des phases de notre recherche. Les données que nous avons acquises lors de campagnes océanographiques nous permettent de décrire la distribution et la structure des communautés. La modélisation mathématique nous procure les moyens de confronter les hypothèses sur le fonctionnement et le contrôle multiple des écosystèmes.  L'objectif de notre approche est d'aboutir à une vision conceptuelle originale de l'écosystème planctonique océanique, en recherchant comment la structure et le fonctionnement de cet écosystème sont contrôlés par des contraintes physiques, chimiques et biologiques. Les similitudes rencontrées au sein de divers écosystèmes planctoniques nous ont suggéré le développement d'un modèle conceptuel synthétique unique de cet écosystème applicable à l'Océan Mondial et permettant d'illustrer sa variabilité.  Par cette stratégie d'approche, nous répondons aux recommandations des programmes internationaux tels que GLOBEC International (Global  Ocean Ecosystem Dynamics), "Global Change Research Initiative" et JGOFS (Joint Global Ocean Flux Studies) qui visent à développer des modèles permettant de prédire les réponses de l'écosystème océanique aux changements globaux affectant la planète et utilisables en termes d'outils d'aide à la décision.  L'originalité de notre manuscrit réside dans la présentation du développement conceptuel et numérique d'une modélisation d'un écosystème soumis à de fortes contraintes tant physiques que biologiques: l'écosystème planctonique. Il retrace, sous forme de chapitres, les différentes étapes de ce développement depuis l'acquisition de données jusqu'à la simulation sous contraintes réelles ou hypothétiques en passant par la formulation et la paramétrisation des équations.  Lors de la première étape, nous mettons au point une stratégie de modélisation adaptée aux besoins de l'écologie planctonique. Pour les océanographes biologistes, les outils de modélisation souvent développés par les hydrodynamiciens sont encore les balais l'apprenti sorcier. Ils se développent plus vite que la compréhension des processus gouvernant l'écosystème; dès lors une définition de règles d'emploi, réalistes et applicables à l'écosystème océanique, s'est révélée utile.  Lors de la deuxième étape, nous décrivons et analysons, sur base d'observation campagnes, l'écosystème planctonique de divers milieux océaniques: la Méditerranée, l'Océan Austral et la Mer du Nord. Nous en identifions les similitudes et les particularités. Cette étape n'est pas présentée dans la version actuelle de la publication.  Lors de la troisième étape, nous abordons la sélection des variables biologiques du système, la détermination de leur comportement, l'identification des voies d'échange entre variables et enfin la reconnaissance des facteurs physiques qui contrôlent, à différentes échelles d'espace et de temps, le fonctionnement de ces variables biologiques. Au cours cette étape, nous sélectionnons les processus planctoniques de base (production, consommation, excrétion, etc.), nous déterminons leur valeur maximale pour écosystème donné, nous établissons les limitations par la physique (éclairement, température, turbulence, etc...) et la biologie (autres processus) et nous définissons relations sous forme de fonctions mathématiques. Cette étape aboutit à un schéma conceptuel représentant notre vision de l'écosystème planctonique généralisable à l'Océan Mondial.  Lors de la quatrième étape, nous construisons un modèle numérique de l'écosystème planctonique sur base du schéma conceptuel élaboré. Nous établissons les équations d'évolution des variables biologiques que nous couplons avec les équations physiques.  Nous développons volontairement ce modèle sur un mode déterministe et naturaliste l'objectif poursuivi étant de fournir un outil disponible à des écologistes pour tester d hypothèses concernant les processus de l'écosystème.  Enfin lors de la dernière étape, nous appliquons le modèle ainsi construit à la simulation des écosystèmes décrits précédemment.  Il est utilisé comme outil formel pour tester la variabilité de l'écosystème planctonique en réponse à diverses contraintes réelles ou potentielles.

N.B. : Étant donné la longueur du document, chaque chapitre fait l’objet d’un fichier PDF particulier.

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