Suivi du carbone de la surface de l'océan à la « zone de crépuscule » sombre
Différentes communautés de phytoplancton fleurissent autour des provinces maritimes canadiennes et dans le nord-ouest de l'océan Atlantique. Crédit : Composite NASA/Aqua/MODIS collecté le 22 mars 2021
Un voyage au large, soutenu par les deux NASA et la National Science Foundation, ont mis les voiles dans l'Atlantique Nord début mai - la suite d'une expédition complémentaire, cofinancée par la NSF, qui a eu lieu dans le Pacifique Nord en 2018.
Le déploiement en 2021 de la campagne océanographique de terrain de la NASA, appelée Processus d'exportation dans l'océan à partir de la télédétection (EXPORTS), se compose de 150 scientifiques et membres d'équipage de plus de 30 institutions gouvernementales, universitaires et non gouvernementales privées. L'équipe est répartie sur trois navires de recherche océanographique, qui se rencontreront dans les eaux internationales à l'ouest de l'Irlande au-dessus de la plaine sous-marine de Porcupine Abyssal. Tout au long de la campagne de terrain, les scientifiques déploieront une variété d'instruments à bord des trois navires : le RRS James Cook et le RRS Discovery, exploités par le Centre national d'océanographie de Southampton, au Royaume-Uni, ainsi qu'un troisième navire affrété par le projet Ocean Twilight Zone. de l'Institut océanographique de Woods Hole et exploité par l'Unité de technologie marine de Vigo, Espagne. Au total, 52 plateformes de haute technologie, dont plusieurs véhicules autonomes, effectueront des mesures et collecteront en continu des données.
Plancton diversifié des eaux de surface vu au microscope. Il est si concentré que vous n'avez pas besoin de zoomer pour vous identifier. Crédit : Laura Holland/ Université de Rhode Island
Une grande partie de la science se concentre sur le rôle de l'océan dans le cycle mondial du carbone. Grâce à des processus chimiques et biologiques, l'océan élimine autant de carbone de l'atmosphère que toute la vie végétale terrestre. Les scientifiques espèrent explorer davantage les mécanismes de la pompe biologique de l'océan, le processus par lequel le carbone de l'atmosphère et de la surface de l'océan est séquestré à long terme dans l'océan profond. Ce processus implique des organismes microscopiques ressemblant à des plantes appelés phytoplancton, qui subissent la photosynthèse comme les plantes terrestres et peuvent être vus de l'espace en observant les changements de couleur de l'océan. Leur productivité a un impact significatif sur le cycle du carbone de la Terre, qui à son tour affecte le climat de la Terre.
"Il s'agit de la première étude approfondie de la pompe à carbone biologique de l'océan depuis l'étude conjointe sur le flux océanique mondial dans les années 1980 et XNUMX", a déclaré David Siegel, responsable scientifique d'EXPORTS, de l'Université de Californie à Santa Barbara. "Entre-temps, nous avons obtenu des outils d'imagerie microscopique avancés, de la génomique, des capteurs chimiques et optiques robustes et des robots autonomes - un tas de choses que nous n'avions pas à l'époque, nous pouvons donc poser des questions beaucoup plus difficiles et beaucoup plus importantes." Ces questions incluent la quantité de carbone organique quittant l'océan de surface et quel chemin emprunte-t-il lorsqu'il se dirige vers les profondeurs où il peut être séquestré pendant de longues périodes, allant de décennies à des milliers d'années.
La science et l'équipage à bord du RRS James Cook déploient une rosette d'échantillonnage - plate-forme qui permet de collecter des échantillons d'eau et d'autres informations sur les profondeurs de l'océan, avec RRS Discovery et R / V Sarmiento de Gamboa au loin déployant la même instrumentation simultanément. Crédit : Deborah Steinberg
Les scientifiques connaissent trois voies principales qui transportent le carbone de l'atmosphère et de la couche supérieure de l'océan vers la "zone crépusculaire" sombre qui se trouve à 1,640 500 pieds (1 m) ou plus sous la surface : 2) le mélange et la circulation physiques de l'océan peuvent transporter la matière organique en suspension profondément dans l'intérieur de l'océan, 3) les particules peuvent couler à cause de la gravité, souvent après avoir traversé les entrailles des organismes, et XNUMX) les migrations verticales quotidiennes d'animaux qui font la navette entre les niveaux supérieur et inférieur de l'océan apportent du carbone pour le trajet.
EXPORTS vise à déterminer la quantité de carbone transportée par chacune de ces voies en observant la pompe à carbone dans deux écosystèmes océaniques très différents avec des conditions variables. Les chercheurs ont choisi le nord du Pacifique et le nord de l'Atlantique parce qu'ils se trouvent aux extrémités opposées du spectre de productivité (c'est-à-dire les taux de photosynthèse) et connaissent deux extrêmes opposés de processus physiques tels que les tourbillons et les courants. L'étude d'environnements contrastés fournira le maximum d'informations pour modéliser les futurs scénarios climatiques.
L'équipage scientifique est monté à bord du N/R Sarmiento de Gamboa le 29 avril après 14 jours de quarantaine. Crédit : Ken Buesseler/Institut océanographique de Woods Hole
Selon Ivona Cetinić, scientifique du projet et océanographe au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, le Pacifique Nord s'apparente à un désert ou à une "simple prairie" terrestre. Il est pauvre en nutriments, dans ce cas le fer nécessaire à la photosynthèse, et subit l'un des plus petits courants de Foucault trouvés dans les océans mondiaux. Par conséquent, le transport du carbone dans les profondeurs océaniques est principalement assuré par de minuscules animaux, appelés zooplancton, qui consomment du phytoplancton végétal microscopique, puis excrétent le carbone digéré dans les profondeurs inférieures.
Le phytoplancton dérive dans la couche supérieure éclairée par le soleil de l'océan où il peut convertir le dioxyde de carbone provenant de l'atmosphère en carbone organique. Lorsque les conditions sont favorables, comme c'est souvent le cas dans la région de l'Atlantique Nord à cette période de l'année, les populations de phytoplancton croissent ou « fleurissent » si rapidement qu'elles peuvent être vues de l'espace.
L'Atlantique Nord présente également de forts courants qui contrastent avec les eaux plus lentes du Pacifique Nord. Parallèlement à cela, Siegel dit qu'ils prévoient au moins quatre jours de mauvais temps au cours de l'expédition d'un mois.
Mais les données EXPORTS ne s'appliquent pas seulement à la mer, elles seront également utilisées pour améliorer la technologie satellitaire. Cetinić travaille avec plusieurs mesures optiques provenant de satellites de couleur de l'océan, qui mesurent la lumière réfléchie par la surface de l'océan dans des parties du spectre visible, ce que nous appelons les couleurs de l'arc-en-ciel. Ceux-ci fournissent des informations telles que des mesures de la température, de la salinité, du carbone et des concentrations d'un pigment vert appelé chlorophylle. Cependant, les différentes espèces de phytoplancton occupant différentes parties de l'écosystème et du cycle du carbone produisent différentes quantités et nuances de chlorophylle verte, créant des nuances dans la couleur de l'océan que les satellites actuels de couleur de l'océan ne peuvent pas "voir".
Parmi les instruments déployés lors des EXPORTS figurent des instruments optiques très raffinés, et dans certains cas expérimentaux, pour mesurer la couleur de l'océan, qui s'apparentent à des instruments qui seront à bord des futurs satellites de la NASA. Les chercheurs combineront ces mesures de simulation par satellite avec les observations détaillées de la communauté phytoplanctonique de surface - par le biais de la génomique, de l'analyse d'images ou de la composition des pigments - ainsi qu'avec la connaissance de leur physiologie pour permettre aux satellites de détecter la diversité océanique et, finalement, leur rôle dans le cycle du carbone océanique. .
La prochaine génération de ces satellites, la mission Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem (PACE) de la NASA, sera hyperspectrale, ce qui signifie qu'elle sera capable de collecter des données sur l'ensemble du spectre visible et de capturer des informations au-delà de la partie visible, y compris les ultraviolets et infrarouge à ondes courtes.
"Ce que nous voyons pendant que nous sommes sur le terrain nous donne une idée du type d'informations que nous aurons besoin de voir depuis l'espace afin de capturer ces processus critiques que nous voulons pouvoir mieux comprendre", a déclaré Cetinić. «Cela stimule le développement de la technologie spatiale. En retour, les données provenant des nouveaux satellites d'observation de la Terre permettent aux scientifiques, comme ceux qui participent à EXPORTS, d'aller chercher d'autres informations cruciales ou de développer de nouvelles techniques pour compléter l'actuel, voire inspirer un nouveau satellite d'observation de la Terre. Cette interaction perpétuelle de la technologie et de la science profite en fin de compte à l'ensemble de l'humanité.
Après la campagne de terrain, une phase supplémentaire d'EXPORTS se concentrera sur l'utilisation des données collectées dans l'Atlantique et le Pacifique pour prédire à quoi pourraient ressembler les voies de transport du carbone dans les futurs océans.
"Ce que nous savons actuellement est limité à ce qui se passe dans les océans aujourd'hui", a déclaré Siegel. "Avec les changements climatiques en cours, observés non seulement dans l'océan mais à travers les systèmes terrestres, nous devons être en mesure de prédire ce qui va se passer en 2075, et nous n'avons pas encore cette compréhension prédictive."
Étant donné que tant de caractéristiques d'une seule tranche d'océan vont être mesurées en même temps, les modèles informatiques existants disposeront d'un ensemble de données riche et plus complet décrivant la pompe à carbone sur laquelle fonder les projections de ce qui pourrait se produire dans un avenir proche plus profond. dans l'océan et quels pourraient être les impacts sur le cycle du carbone.
"C'est un si bon ensemble de données qu'il va alimenter la recherche pour les décennies à venir", a déclaré Cetinić.
PACE et EXPORTS ont connu des retards en raison de la COVID-19 pandémie. Désormais, pour assurer la sûreté et la sécurité de chaque personne impliquée, une quarantaine de deux semaines était nécessaire avant la mise en place de protocoles de navigation et de distanciation sociale pour la première semaine à bord des navires. Siegel dit que la diversité et le dévouement des membres de l'équipe, le soutien inégalé du Centre national d'océanographie du Royaume-Uni pour s'assurer que les navires et l'équipage sont prêts et sûrs pour la navigation, l'engagement soutenu du siège de la NASA et beaucoup de bonne fortune est la raison que la campagne est encore en mesure d'aller de l'avant cette année.
