Télédétection de la matière en suspension dans l'estuaire du Saint-Laurent

RESUME: Les zones cotieres et estuariennes jouent un role cle dans les processus biogeochimiques comme les echanges de gaz a effet de serre a l'interface air-mer, la photosynthese et la regeneration des nutriments. Tous ces processus sont lies a la dynamique des matieres particules en suspension (MPS). L’estuaire du Saint-Laurent (ESL) est un des plus grands estuaires du monde. On y retrouve un important melange de proprietes chimiques et optiques resultant de la combinaison des eaux douces en provenance du fleuve St-Laurent (FSL) et des eaux marines du golfe du Saint-Laurent (GSL). L’objectif principal de cette these est d’evaluer, developper et valider differents modeles de teledetection optique pour estimer la concentration de MPS dans les eaux de l’ESL. Cette these presente en plus deux objectifs secondaires. Premierement, caracteriser, pour la zone etudiee, les distributions de tailles de la MPS, puis determiner les proprietes optiques massiques specifiques de la matiere en suspension. Avec ces donnees certains proxys sont proposes pour etudier les attributs de deuxieme ordre de la MPS. Deuxiemement, une revue des effets thermiques induits par la presence des MPS dans les eaux oceaniques et littorales est realisee. Cette synthese incorpore une analyse des changements potentiels que pourraient subir certaines variables climatiques dues aux variations de chaleur associe a la distribution et a la nature des particules. Le premier chapitre resume les concepts relatifs a l’optique marine et la teledetection de la couleur des oceans dans les eaux estuariennes et cotieres. Le deuxieme chapitre presente une relation biogeo-optique pour cartographier les distributions CMPS dans l'estuaire superieur du Saint-Laurent base sur des mesures satellitaires de couleur de l’ocean a moyenne resolution spatiale. Enfin, l’influence de la composition chimique des particules sur la teledetection des CMPS est investiguee et une serie de nouveaux parametres sont presentes pour estimer le contenu organique des MPS dans l’ESL. Le troisieme chapitre traite de la caracterisation des proprietes optiques de la MPS ayant differentes compositions chimiques et tailles dans les eaux de l’ESL. Dans ce chapitre, l’effet de la composition et des tailles sur les proprietes optiques inherentes des particules et leurs effets sur les signaux optiques detectes par des capteurs optiques sont etudies. Le quatrieme chapitre propose une revue du role des particules dans la modulation de la variabilite spatiale de la temperature de l’eau, des flux de chaleur a l’interface air-mer et des variables meteorologiques locales. La contribution de la MPS et celle de la matiere organique dissoute chromophorique (MODC) dans le budget de chaleur dans les eaux cotieres et oceaniques sont examinees. De plus, le role du flux de chaleur induit par les particules dans l’alteration des processus de formation de nuage et de precipitations et la dynamique des banquises est analyse. En conclusion, pour l’ESL, les resultats obtenus dans cette these montrent que la concentration et la composition chimique des MPS peuvent etre estimees a partir de methode de teledetection optique avec une exactitude acceptable (c.-a-d. une erreur d’environ 30 %). L’approche proposee devrait etre valide dans d’autres environnements littoraux ayant des proprietes biogeooptiques comparables a celles mesurees dans la region d’etude. Il a ete demontre que des changements dans la composition chimique des particules peuvent constituer une importante source de variabilite dans l'evaluation des CMPS estimee par teledetection dans la region d’etude. Finalement, la discussion du chapitre 3 a revele une importance comparable de l’effet des particules en suspension et des matieres dissoutes sur la temperature de l’eau et la variabilite des flux de chaleur dans les eaux cotieres. -- Mot(s) cle(s) en francais : matieres particulaires en suspension, distribution de tailles des particules, composition des particules, matiere organique dissoute coloree, proprietes optiques inherentes, teledetection, flux de chaleur, temperature de l’eau surface, variabilite du climat. -- ABSTRACT: Estuarine and coastal zones play a key role in biogeochemical processes such as air-water exchange of greenhouse gases, photosynthesis and regeneration of nutrients. All these processes are linked to dynamics of suspended particulate matter (SPM). The St. Lawrence Estuary (SLE) is one of the largest estuaries in the world where a major mixing of chemical and optical properties occurs due to the exchange of water parcels derived from the St Lawrence River (SLR) and the Gulf of St. Lawrence (GSL). The primary objective of this thesis is to evaluate, develop and validate different optical remote sensing models for estimating concentration of SPM in SLE waters. In addition, this thesis has two secondary objectives: Firstly, mass-normalized optical properties of different chemical and size distribution fractions are characterized over the study area, and optical remote sensing proxies are proposed for studying second-order attributes of SPM. Secondly, a review of particle-mediated thermal effects in oceanic and littoral waters is achieved. Also, this synthesis incorporates an analysis of potential changes on climate variables due to variations on water heat content. associated to different particle distributions and nature. The first chapter summarizes the actual concepts on marine optics and remote sensing of ocean color in estuarine and coastal waters. In the second chapter, a biogeo-optical relationship is suggested to map CSPM distributions in the upper SLE and based on satellite ocean color measurements having a moderate spatial resolution. Lastly, the influence of particle chemical composition on remote sensing of CSPM was investigated, and a series of new parameterizations are shown for estimating organic content of SPM in SLE waters. The third chapter is about the characterization of optical properties of different chemical and size fractions of SPM in SLE waters. In this chapter, the effect of particle composition and size distribution on the inherent optical properties of particles and their effects on optical signals arriving to the remote sensing sensor are investigated. The fourth chapter reviews the role of particles in in modulating the spatial variability of water temperature, air-water heat fluxes and local weather variables. Here, the contribution of SPM and chromophoric dissolved organic matter (CDOM) to heat budget components in coastal and oceanic waters was examined. Also, the role of the particle – mediated heat flux in altering the behavior of cloud formation and precipitation, and the dynamics of sea ice was analyzed. In summary for the SLE, the results obtained during this thesis showed that concentration and chemical composition of SPM can be estimated based on optical remote sensing methods and with an acceptable accuracy (i.e., around 30% error). The proposed approach is expected to be valid in other littoral environments with comparable biogeo-optical properties to those typical measured over the study area. It was demonstrated that changes on particle chemical composition may be an important source of variability on remote sensing estimates of CSPM in our study area. Lastly, the discussion of chapter 3 revealed the comparable importance of particulate and dissolved matter affecting water temperature and heat flux variability in land-influenced waters. -- Mot(s) cle(s) en anglais : Suspended particulate matter, particle size distribution, particle composition, CDOM, inherent optical properties, remote sensing, air-water heat flux, water surface temperature, climate variability.