L'océan Pacifique regorge de phytoplancton le long de la côte ouest des États-Unis, comme capturé par l'instrument MODIS sur le satellite Aqua de la NASA. Les satellites peuvent suivre les efflorescences phytoplanctoniques, qui se produisent lorsque ces organismes ressemblant à des plantes reçoivent des quantités optimales de lumière du soleil et de nutriments. Le phytoplancton joue un rôle important dans l'élimination du dioxyde de carbone atmosphérique. Crédits :NASA
Une grande équipe pluridisciplinaire de scientifiques, équipé d'une robotique sous-marine avancée et d'un ensemble d'instruments d'analyse, partira pour le nord-est de l'océan Pacifique en août. La mission de l'équipe pour la NASA et la National Science Foundation (NSF) est d'étudier la vie et la mort des petits organismes qui jouent un rôle essentiel dans l'élimination du dioxyde de carbone de l'atmosphère et dans le cycle du carbone de l'océan.
Plus de 100 scientifiques et membres d'équipage de plus de 20 instituts de recherche embarqueront depuis Seattle pour la campagne océanographique Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS) de la NASA. EXPORTS est la première campagne scientifique multidisciplinaire coordonnée du genre à étudier le devenir et les impacts du cycle du carbone du plancton microscopique à l'aide de deux navires de recherche et de plusieurs plateformes robotiques sous-marines.
Les navires de recherche, le R/V Revelle et le R/V Sally Ride, géré par la Scripps Institution of Oceanography, Université de Californie à San Diego, naviguera à l'ouest de 200 milles dans l'océan ouvert. De ces laboratoires maritimes, les chercheurs exploreront le plancton, ainsi que les propriétés chimiques et physiques de l'océan depuis la surface jusqu'à 800 mètres plus bas dans la zone crépusculaire, une région avec peu ou pas d'ensoleillement où le carbone du plancton peut être séquestré, ou tenu à l'écart de l'atmosphère, pour des périodes allant de plusieurs dizaines d'années à plusieurs milliers d'années.
"En employant deux navires, nous pourrons observer des processus océanographiques complexes qui varient à la fois dans l'espace et dans le temps que nous ne serions pas en mesure de capturer avec un seul navire, " a déclaré Paula Bontempi, directeur de programme pour la biologie océanique et la biogéochimie au siège de la NASA.
Le phytoplancton est minuscule, organismes ressemblant à des plantes qui vivent dans la partie supérieure de l'océan éclairée par le soleil. Ils utilisent la lumière du soleil et le dioxyde de carbone dissous qui pénètre dans l'océan supérieur depuis l'atmosphère pour se développer par photosynthèse, c'est l'une des façons dont les organismes océaniques recyclent le carbone. En tant que producteurs primaires, le phytoplancton joue un rôle important dans l'élimination du dioxyde de carbone atmosphérique et la production d'oxygène. Lorsque le phytoplancton est consommé par le plancton ou meurt, leurs restes coulent et une partie de leur carbone est exportée en profondeur.
Alors que les principales voies d'exportation de la façon dont le carbone se déplace dans l'océan sont connues, l'ampleur des flux de carbone dans les différentes voies océaniques et leur dépendance aux caractéristiques des écosystèmes sont mal connues. Les scientifiques de l'équipe EXPORTS étudient la quantité de carbone qui se déplace dans l'océan dans la couche supérieure éclairée par le soleil et dans la zone crépusculaire et comment les processus écologiques océaniques affectent le devenir et la séquestration du carbone. Ces informations sont nécessaires pour prédire la quantité de carbone qui retournera dans l'atmosphère sur quelle échelle de temps, ou combien de carbone est exporté vers les profondeurs océaniques.
"Le carbone que les humains mettent dans l'atmosphère réchauffe la Terre, " dit Mike Sieracki, directeur de programme à la Division des sciences océaniques de la National Science Foundation. "Une grande partie de ce carbone finit par se retrouver dans l'océan et est transportée vers les profondeurs de l'océan, où il est séquestré et ne retournera pas dans l'atmosphère avant longtemps. Ce projet nous aidera à comprendre les processus biologiques et chimiques qui éliminent le carbone, et établir une base pour surveiller ces processus à mesure que le climat change. »
Sept ans dans la fabrication, la campagne 2018 a été une énorme entreprise, dit David Siegel, EXPORTS science lead de l'Université de Californie, Santa Barbara.
Pendant la campagne EXPORTATIONS, le Imaging Flow Cytobot donnera aux scientifiques une vue continue de la diversité du plancton dans le nord-est du Pacifique. Ce collage ne représente qu'un petit nombre des différents types de plancton qui peuplent l'océan terrestre. Crédits :WHOI/Heidi Sosik
« L'impact qu'auront les données EXPORTS sur la compréhension de l'évolution de notre planète sera important, " a déclaré Siegel. " Les données satellitaires de la NASA sur la couleur des océans nous montrent que ces écosystèmes sont très sensibles à la variabilité climatique. Les changements dans les populations de phytoplancton affectent le réseau trophique marin puisque le phytoplancton est mangé par de nombreuses espèces animales, grandes et petites. Les enjeux sont élevés."
L'élimination à long terme du carbone organique de l'atmosphère vers les profondeurs océaniques est connue sous le nom de pompe biologique, qui fonctionne à travers trois processus principaux. D'abord, les particules chargées de carbone de la surface de l'océan coulent par gravité, comme c'est le cas avec le phytoplancton mort ou les excréments produits par de petits animaux appelés zooplancton. Seconde, le zooplancton migre quotidiennement près de la surface de l'océan pour se nourrir de phytoplancton et retourne dans la zone crépusculaire pendant la nuit. Troisième, processus physiques dans l'océan, tels que la grande circulation mondiale de renversement des océans et les tourbillons turbulents à plus petite échelle, transporter le carbone en suspension et dissous à de grandes profondeurs.
Les satellites de la NASA fournissent une variété de mesures de la couche supérieure de l'océan, comme la température, la salinité et la concentration d'un pigment présent dans toutes les plantes appelé chlorophylle. EXPORTS fournira des données sur le rôle du phytoplancton et du plancton dans la pompe biologique et l'exportation du carbone, informations importantes pour la planification des observations et des technologies nécessaires pour les futures missions satellitaires d'observation de la Terre.
"Nous avons conçu EXPORTS pour observer simultanément les trois mécanismes de base par lesquels le carbone est exporté de la partie supérieure de l'océan vers les profondeurs, " a déclaré Siegel. "Nous essayons de mieux comprendre la biologie et l'écologie du phytoplancton dans les eaux de surface, comment ces caractéristiques conduisent le transport du carbone vers la zone crépusculaire, et ensuite qu'arrive-t-il au carbone dans les eaux plus profondes."
Parmi les nombreuses technologies utilisées se trouve une plate-forme autonome appelée « Wirewalker » qui utilise l'énergie des vagues pour déplacer les instruments le long d'un fil tendu de la surface à 1, 600 pieds (500 mètres) de profondeur tout en mesurant la température, salinité, oxygène, carbone, et la concentration en chlorophylle.
Un véhicule sous-marin télécommandé de 6,5 pieds (2 mètres de long) appelé Seaglider recueillera des mesures similaires, mais à des profondeurs allant jusqu'à 3, 200 pieds (1, 000 mètres.)
A bord du navire, des échantillons seront collectés pour les séquenceurs génomiques afin d'évaluer la composition du phytoplancton, zooplancton, communautés bactériennes et archéennes.
De nouveaux outils d'imagerie microscopique seront également utilisés par les scientifiques d'EXPORTS, y compris un microscope à haut débit appelé Imaging FlowCytobot qui fournira en temps réel, images haute résolution de milliards de phytoplancton individuel. Le profileur de vision sous-marine mesurera la taille des particules d'agrégat qui coulent et collectera des images d'organismes zooplanctoniques.
Montés sur la superstructure du navire, des instruments optiques mesureront la couleur de l'océan à très haute résolution spectrale, des longueurs d'onde ultraviolettes aux bandes infrarouges à ondes courtes du spectre électromagnétique. Le phytoplancton a des "signatures" spectrales distinctes, des couleurs de lumière qu'il absorbe et diffuse. En identifiant ces signatures, les scientifiques seront en mesure de développer des algorithmes pour les futures missions satellites sur la couleur de l'océan telles que Plankton de la NASA, Aérosol, Nuage, mission écosystème océanique (PACE). Depuis l'espace, PACE utilisera des instruments optiques similaires pour distinguer le type et la quantité de phytoplancton présent dans l'océan.
"Ce que nous apprendrons d'EXPORTS nous permettra de mieux comprendre comment les espèces de plancton et d'autres micro-organismes tels que les bactéries interagissent avec leur environnement, " a déclaré Bontempi. " Non seulement nous pourrons utiliser ces informations pour développer de nouvelles approches pour identifier et quantifier les espèces de plancton depuis l'espace, nous serons en mesure de prédire combien de carbone retournera dans l'atmosphère et combien sera transporté dans les profondeurs océaniques à long terme."
