Les gyres subtropicaux sont énormes, courants soutenus s'étendant sur des milliers de kilomètres à travers les océans Pacifique et Atlantique, où pousse très peu.

Avec des nutriments en pénurie, phytoplancton, les plantes microscopiques qui constituent la base de la chaîne alimentaire marine, lutter pour prospérer.

Cependant, certains phytoplancton vivent dans l'environnement hostile de ces gyres, et exactement comment ils obtiennent leurs nutriments a longtemps été un mystère.

Maintenant recherche par Edward Doddridge, un post-doctorant au Département de la Terre, Sciences atmosphériques et planétaires au MIT, a découvert que la croissance du phytoplancton dans les tourbillons subtropicaux est affectée par une couche d'eau bien en dessous de la surface de l'océan, qui permet aux nutriments d'être recyclés à la surface.

Travaillant avec David Marshall à l'Université d'Oxford, Doddridge a développé un modèle pour étudier le mécanisme derrière la croissance du phytoplancton dans les gyres, qui apparaît dans le Journal of Geophysical Research :Océans .

D'après les manuels, les vents poussent les eaux de surface au centre des tourbillons puis vers le bas, enlever les nutriments de la zone ensoleillée et donc empêcher le phytoplancton de prospérer.

Mais des recherches antérieures de Doddridge ont suggéré que ce point de vue est trop simpliste, et que le mouvement des tourbillons - l'équivalent océanique des systèmes météorologiques - à l'intérieur des gyres agit contre ce mouvement, empêchant l'eau d'être poussée loin vers le bas.

Pour approfondir cette question, les chercheurs ont développé un modèle informatique simple, dans lequel ils divisent l'océan en deux couches :la couche ensoleillée et une couche d'eau homogène en dessous, appelé mode eau. Sous cette couche d'eau de mode se trouve l'abîme, qui n'était pas inclus dans le modèle.

Au sein du modèle, les chercheurs ont inclus à la fois le processus de convergence de l'eau dirigé par le vent des côtés du gyre, puis vers le bas, et la manière dont les tourbillons doivent agir contre ce mouvement.

Quand ils ont exécuté le modèle, ses résultats reflétaient largement les observations des gyres eux-mêmes, avec une concentration en nutriments et une productivité de phytoplancton plus élevées aux bords des gyres, et une productivité moindre au centre.

Ils ont alors commencé à faire varier les différents paramètres du modèle, pour étudier l'effet que cela aurait sur les niveaux de nutriments et la productivité du phytoplancton.

Ils ont d'abord fait varier un mécanisme proposé précédemment par les chercheurs et connu sous le nom de pompage turbulent, dans lequel le mouvement tourbillonnant des courants circulaires se refroidit, l'eau riche en nutriments par le bas.

"Nous avons changé la quantité de fluide que ce mécanisme pouvait échanger entre la couche ensoleillée et la couche homogène en dessous, et nous avons constaté qu'au fur et à mesure que nous augmentions le pompage des tourbillons, la concentration en nutriments a augmenté, comme suggéré par des recherches antérieures, " dit Doddridge.

Cependant, l'effet de ce pompage turbulent a commencé à plafonner à des niveaux plus élevés. Plus les chercheurs augmentaient le mécanisme de pompage à remous, plus l'augmentation de la concentration en éléments nutritifs est faible.

Ils ont ensuite fait varier le processus de convergence horizontale de l'eau et de pompage vers le bas dans les gyres, connu sous le nom de transport résiduel d'Ekman. Ils ont découvert que ce processus avait un impact considérable sur la concentration en nutriments.

Finalement, les chercheurs ont fait varier l'épaisseur de la couche d'eau homogène sous la couche ensoleillée, qu'ils ont également trouvé pour avoir un impact significatif sur la concentration en éléments nutritifs.

Des recherches antérieures avaient suggéré qu'à mesure que cette couche d'eau de mode s'épaissit, il bloque les nutriments venant d'en bas, résultant en des niveaux de productivité inférieurs dans la zone ensoleillée. Cependant, les résultats du modèle suggèrent le contraire, avec une couche de mode plus épaisse conduisant à une plus grande concentration en nutriments. C'était particulièrement le cas lorsque le niveau de transport d'Ekman était faible, dit Doddridge.

"Quand le phytoplancton et d'autres choses vivant dans la couche ensoleillée meurent, ou se faire manger et excréter, ils commencent à tomber à travers l'océan, et leurs nutriments sont réabsorbés dans l'eau, " dit Doddridge.

"Donc, plus cette couche homogène est épaisse, plus il faut de temps à ces particules pour le traverser, et plus leurs nutriments sont absorbés dans le liquide, être recyclé comme nourriture.

Alors que les nutriments restent dans la couche homogène, il ne faut pas beaucoup d'énergie pour les mélanger à nouveau à la surface, dit Doddridge. Mais s'ils tombent rapidement en dessous dans l'abîme - parce que la couche homogène est mince, par exemple, les nutriments sont essentiellement coupés de l'eau de surface au-dessus, il dit.

Lorsque les chercheurs ont testé les résultats du modèle en utilisant les données des satellites, robots autonomes, et des bateaux, ils ont trouvé que cela appuyait leurs conclusions, suggérant que l'eau de mode plus épaisse améliore en effet la croissance du phytoplancton dans les tourbillons subtropicaux.

À l'avenir, Doddridge aimerait mener d'autres expériences en utilisant des modèles plus complexes, pour mieux comprendre la manière dont les nutriments sont introduits et recyclés dans les tourbillons subtropicaux.

Les eaux océaniques supérieures pauvres en nutriments du gyre subtropical jouent un rôle mondial important dans l'absorption du carbone océanique, avec des processus biologiques médiateurs d'une grande partie de cette absorption de carbone, mais les processus fournissant les nutriments nécessaires pour soutenir la production biologique nette dans ces écosystèmes restent flous, selon Matthew Church à l'Université du Montana, qui n'a pas participé à la recherche.

"L'article met en évidence le rôle clé des processus physiques (en particulier les tourbillons) dans la régulation à la fois de l'apport ascendant de nutriments, et le flux descendant de la matière organique qui coule, » dit l'Église. « Les auteurs concluent que ce dernier terme, en particulier la profondeur sur laquelle les particules organiques sont reminéralisées, fixe des contraintes sur la productivité des eaux sus-jacentes. Cette conclusion dérivée d'un modèle présente une hypothèse vérifiable sur le terrain."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.