Titre original :

Phytoplankton vertical dynamics in the presence of advection

Titre traduit :

Dynamique verticale du phytoplancton en présence d’advection

Mots-clés en français :
  • Modèle d’advection-réaction-diffusion

  • Fluides, Dynamique des
  • Phytoplancton
  • Phytoplancton
  • Turbulence
  • Écologie marine
  • Simulation des grandes échelles
Mots-clés en anglais :
  • Turbulence
  • Numerical simulations
  • Fluid dynamics
  • Advection-Reaction-Diffusion systems
  • Population dynamics
  • Marine ecology

  • Langue : Anglais
  • Discipline : Mécanique des milieux fluides
  • Identifiant : 2022ULILN002
  • Type de thèse : Doctorat
  • Date de soutenance : 16-02-2022

Résumé en langue originale

Les systèmes de transport de réaction apparaissent dans de nombreux domaines de recherche et applications, par exemple: cinétique de réaction chimique dans les fluides, dynamique du plancton, diffusion des infections. Alors que la dynamique de réaction des espèces à avoir été largement étudiée en milieux homogènes, leur compréhension dans des environnements hétérogènes particulièrement pertinents pour les problèmes écologiques, est à nouveau limite. Dans ce projet que nous proposons à élucider, au moyen de simulations numériques de systèmes d'advection - réaction - diffusion, la réciproque complexe entre dans l'hétérogénéité de l'environnement (des limites de ressources telles que la disponibilité de la lumière dans la colonne d'eau dans la mer ou dans un lac) et transport par un écoulement de fluide, qui contrôle l'apparition des fleurs de phytoplancton dans les milieux aquatiques shakes. L'accent est mis sur le rôle des écoulements structurés dans l'espace et le mélange turbulent et la persistance des populations d'algues, ainsi que sur la répartition verticale / horizontale détaillée de la population. Pour étudier ces problèmes, les écoulements turbulents résultant des modèles de simulation à grandes échelles (LES) de l'équation de Navier-Stokes ou des modèles cinématiques seront pris en compte. Une telle approche devrait permettre d'accéder aux détails à différentes échelles des mécanismes d'interaction qui déterminent la dynamique du phytoplancton. En raison du large éventail d'échelles patiales et temporelles impliquées, cela représente une tâche très difficile et constitue le principal aspect original du projet. Dans le but d'améliorer le réalisme biologique et physique, la complexité du modèle augmentera progressivement. En analysant le comportement temporel des systèmes modèles adoptés, il sera finalement possible d’explorer les mécanismes contrôlant l’apparition de conditions environnementales agissant comme précurseurs de proliférations d’algues. Cette étude devrait fournir des indications sur la manière de mieux prendre en compte la complexité des mouvements de fluides, par rapport aux modèles de dynamique des populations généralement utilisés dans les études fondamentales et appliquées à des échelles supérieures aux structures spatiales (turbulentes) du flux. En particulier, nous visons à caractériser les principaux effets dus aux fluctuations des turbulences et donc à la possibilité de rendre compte d’une phénoménologie plus riche. Les résultats seront alors utiles pour établir de nouvelles contraintes pour améliorer les modèles de réseau alimentaire en écologie marine. L'amélioration de la possibilité de prédire et, potentiellement, de contrôler les proliférations de phytoplancton a également un impact sociétal majeur, par ex. pour la gestion de l'eutrophisation induite par l'homme (augmentation de la croissance des algues due aux excès d'utrients) des écosystèmes marins d'eau douce et côtiers.

Résumé traduit

Reaction transport systems emerge in many areas of research and applications as, e.g.: chemical reaction kinetics in fluids, plankton dynamics, infection spreading. While the dynamics of reacting species have been widely studied in homogeneous media, their understanding in heterogeneous environments, particularly relevant for ecological problems, is still limited. In this project we propose to elucidate, by means of numerical simulations of advection-reaction-diffusion systems, the complex interplay between environmental heterogeneity (due to resource limitations, such as light availability in the water column in the sea or in a lake) and transport by a fluid flow, which controls the appearance of phytoplankton blooms in stirred aquatic environments. The focus is on the role of spatially structured flows and turbulent mixing on growth and persistence of algal populations, as well as on the resulting detailed vertical/horizontal population distribution. To investigate these issues, turbulent flows arising from Large-Eddy-Simulation (LES) models of Navier-Stokes equation or kinematic models will be considered. Such an approach is expected to allow access to the details at different scales of the interacting mechanisms that determine phytoplankton dynamics. Due to the wide range of spatial and temporal scales involved, this represents a highly challenging task and it constitutes the main original aspect of the project. For the purpose of enhancing biological and physical realism, model complexity will be gradually increased. By analysing the temporal behaviour of the adopted model systems it will eventually be possible to explore the mechanisms controlling the onset of environmental conditions acting as precursors of algal blooms. This study is expected to provide insights on how to better account for the complexity of fluid motions, with respect to the population dynamics models typically used in fundamental and applied studies at scales larger than the spatial (turbulent) structures of the flow. In particular, we aim at characterizing the main effects due to turbulent fluctuations and, hence, at the possibility to account for a richer phenomenology. Results will then be useful to establish new constraints for improving food web models in marine ecology. Ameliorating the possibility to predict and, potentially, control phytoplankton blooms also has a major societal impact, e.g. for the management of the anthropogenically induced eutrophication (enhanced algal growth due to excess nutrients) of freshwater and coastal marine ecosystems.

  • Directeur(s) de thèse : Mompean, Gilmar
  • Président de jury : Ouarzazi, Mohamed-Najib
  • Membre(s) de jury : Berti, Stefano - Calzavarini, Enrico - Rafaï, Salima - Alekseenko, Elena
  • Rapporteur(s) : Hernández-Garcia, Emilio - De Lillo, Filippo
  • Laboratoire : Unité de mécanique de Lille - Joseph Boussinesq
  • École doctorale : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille)

AUTEUR

  • Beltram Tergolina, Vinicius
Droits d'auteur : Ce document est protégé en vertu du Code de la Propriété Intellectuelle.
Accès libre