Abstract: Parmi les outils qui permettent de mieux comprendre les systèmes naturels, la modélisation écologique a connu un essor particulièrement important depuis une vingtaine d’années. Les modèles écologiques, représentation simplifiée d’une réalité complexe, permettent de mettre en avant les facteurs environnementaux qui déterminent la niche écologique des espèces et de mieux comprendre leur réponse aux changements de l’environnement. Dans le cas des faunes marines antarctiques, la modélisation écologique fait face à plusieurs défis méthodologiques. Les jeux de données de présence des espèces sont très souvent agrégés dans le temps et dans l’espace, à proximité des stations de recherche. Ces données sont souvent trop peu nombreuses pour caractériser l’espace environnemental occupé par les espèces ainsi que leur physiologie. Enfin, les jeux de données environnementales manquent encore de précision pour finement représenter la complexité des habitats marins. Dans ces conditions, est-il possible de générer des modèles performants et justes à l’échelle de l’océan Austral ? Quelles sont les approches possibles et leurs limites ? Comment améliorer les méthodes afin de générer de meilleurs modèles ? Au cours de ce travail de thèse, trois types de modèles ont été étudiés et leurs performances évaluées. (1) Les modèles physiologiques de type DEB (Dynamic Energy Budget) simulent la manière dont l’environnement abiotique influe sur le métabolisme des individus et proposent une représentation de la niche fondamentale des espèces. (2) Les modèles de distribution d’espèces (SDMs pour Species Distribution Models) prédisent la probabilité de distribution des espèces en étudiant la relation spatiale entre données de présence et environnement. Ils proposent une représentation de la niche réalisée des espèces. Enfin (3), les modèles de dispersion de type lagrangien prédisent le mouvement de propagules dans les masses d’eau. Les résultats montrent que les modèles physiologiques réussissent à simuler les variations métaboliques des espèces antarctiques en fonction de l’environnement et à prédire les dynamiques de populations. Cependant, davantage de données sont nécessaires pour pouvoir caractériser finement les différences physiologiques entre populations et évaluer correctement les modèles. Les résultats obtenus pour les SDMs montrent que les modèles générés à l’échelle de l’océan Austral et leurs prédictions futures ne sont pas fiables du fait du manque de données disponibles pour caractériser l’espace occupé par les espèces, du manque de précision des scénarios climatiques futurs et de l’impossibilité d’évaluer les modèles. De plus, les modèles extrapolent sur une très grande proportion de l’espace projeté. L’apport d’information complémentaire sur les limites physiologiques des espèces (observations, résultats d’expériences, sorties de modèles physiologiques) permet de réduire l’extrapolation et d’augmenter la capacité des modèles à décrire la niche réalisée des espèces. L’agrégation spatiale des données, qui influençait les prédictions et l’évaluation des modèles a également pu être corrigée. Enfin, les modèles de dispersion ont montré un potentiel intéressant pour révéler le rôle des barrières géographiques ou à l’inverse, la connectivité spatiale, mais également le lien existant entre distribution, physiologie et histoire phylogénétique des espèces. Ce travail de thèse propose de nombreux conseils et fournit des codes annotés parfois sous forme de tutoriels, afin de constituer une aide utile aux futurs travaux de modélisation sur les espèces marines antarctiques.

Abstract: While most precipitation in Antarctica falls as snow, little is known about liquid precipitation, although it can have ecological and climatic impacts. This study combines meteorological reports at 10 stations with the ERA5 reanalysis to provide a climatological characterization of rainfall occurrence over Antarctica. Along the East Antarctic coast, liquid precipitation occurs 22 days per year at most and coincides with maritime intrusions and blocking anticyclones. Over the north-western Antarctic Peninsula, rainfall occurs more than 50 days per year on average and the recent summer cooling was accompanied by a decrease of −35 annual rainy days per decade between 1998 and 2015 at Faraday-Vernadsky. Projections from seven latest-generation climate models reveal that Antarctic coasts will experience a warming and more frequent and intense rainfall by the end of the century. Rainfall is expected to impact new regions of the continent, increasing their vulnerability to melting by the preconditioning of surface snow.

Abstract: Marine litter has become a global issue with ‘garbage patches’ documented in all ocean gyres. The Pacific and Atlantic garbage patches have been well described, but there are few empirical data for the Indian Ocean. In the austral summer 2019–2020, we conducted an at-sea survey of macro-litter in the rarely investigated south-west Indian Ocean. Over 24 days, 1623 man-made items were observed including plastic fragments, packaging and fishing-related items during 216 h of observations covering 5464 km. More than 99% of the litter items were plastics of which almost 60% were white. Floating litter was patchily distributed with only five items (0.2%) recorded south of 40°S (0.1 items·km‐2). Half of the items were encountered over a two-day period south-east of Madagascar (30°S; 59–67°E; 75.2 items·km‐2). Our survey detected an accumulation of litter in the southern Indian Ocean and demonstrated that this area warrants more research.

Abstract: Primary biological aerosol particles and microorganisms are ubiquitous in the atmosphere. Investigations of airborne chemical markers and microbial communities are critical for identifying sources, transport and transformation processes of aerosols. One potential major source of airborne chemical compounds and microbial communities (e.g. L- and D-amino acids, Flavobacteria) could be related to phytoplankton blooms that occur during the spring season in Arctic fjord systems. Here, we conducted a field study in a polar environment to investigate the occurrence in coarse and fine particles of water-soluble compounds (major ions, carboxylic acids and free L- and D-amino acids) and airborne bacterial communities in aerosol samples. The sampling was conducted with a 6 day sampling frequency at the Gruvebadet observatory, close to Ny-Ålesund (Svalbard Islands). Glycine, D-amino acids and C4- organic acids increased during the exponential phase of a marine bloom that occurred in Kongsfjorden and started to drop at the beginning of the main-bloom phase. On the other hand, Polaribacter together with free L-amino acids overlapped with the Chlorophyll a peak and the subsequent decline, and thus might constitute a useful marker for the main-bloom phase.