Ce mouillage de la NOAA au large de Washington transporte une variété de capteurs liés au carbone. Fassbender aimerait les compléter avec un nouvel instrument qu'elle et d'autres chercheurs sont en train de développer. Crédit :Richard Feely, NOAA PMEL
Comme des tempêtes désastreuses, inondations, et les incendies deviennent plus fréquents aux États-Unis et ailleurs, les humains commencent tout juste à apprécier certains des impacts du réchauffement climatique. Mais ces impacts seraient bien pires si l'océan n'avait pas absorbé environ 45% du dioxyde de carbone que les humains ont libéré depuis le début de la révolution industrielle. Bien que les scientifiques sachent depuis longtemps que les océans absorbent beaucoup de dioxyde de carbone, les détails de ce processus sont encore flous. La chimiste marine MBARI Andrea Fassbender essaie de mettre ce processus en évidence en étudiant quand, où, et comment le carbone se déplace entre l'atmosphère, océan supérieur, et la mer profonde.
Les bases de ce processus de cyclage du carbone sont relativement bien comprises. Lorsque les concentrations de dioxyde de carbone sont plus élevées dans l'atmosphère que dans les eaux de surface de l'océan, le dioxyde de carbone de l'atmosphère se dissoudra dans l'océan. Une partie de ce dioxyde de carbone est utilisée par les algues microscopiques qui incorporent du carbone dans leur corps au fur et à mesure qu'elles grandissent et se reproduisent dans les eaux de surface éclairées par le soleil.
Lorsque les algues microscopiques sont consommées par les animaux et les microbes, le carbone de leur corps est transféré à ces organismes, qui transportent le carbone dans leur corps ou le libèrent sous forme de déchets dans l'eau environnante. La majeure partie de ce carbone reste à environ 100 mètres de la surface de la mer, où il peut facilement retourner dans l'atmosphère, surtout pendant les mois d'hiver, lorsque les eaux océaniques sont plus agitées et que la concentration d'algues est plus faible.
Cependant, une petite quantité, mais d'une importance vitale, de ce carbone s'enfonce dans des eaux plus profondes, des centaines à des milliers de mètres sous la surface de la mer. Une partie de ce carbone est transportée dans les profondeurs sous forme de neige marine - de minuscules taches d'algues et d'animaux morts, déchet, et du mucus. Plus ce carbone descend, plus il est susceptible d'être stocké longtemps dans l'océan avant d'entrer à nouveau en contact avec l'atmosphère.
Si le carbone s'enfonce suffisamment profondément pour qu'il soit peu probable qu'il soit ramené à la surface par le mélange hivernal, il est considéré comme ayant été exporté des eaux de surface. Si le carbone atteint des profondeurs auxquelles il est peu probable qu'il soit ramené à la surface pendant des centaines d'années ou plus, il est considéré comme séquestré dans les grands fonds.
Les océanographes appellent ce processus de transport vertical du carbone la pompe biologique, et c'est au cœur d'une grande partie de la recherche de Fassbender. Bien que le concept global de la pompe biologique soit relativement simple, les détails sont extrêmement compliqués et impliquent de nombreux produits chimiques interdépendants, biologique, et les processus physiques, qui varient d'un endroit à l'autre et sur des échelles de temps allant de quelques minutes à des millénaires. La pompe biologique est également un élément important des modèles informatiques que les scientifiques utilisent pour prédire le réchauffement climatique.
Pour bien comprendre la pompe biologique, les océanographes doivent mesurer le carbone dans l'océan sous toutes ses formes, comprenant:
Au cours de l'année écoulée, Fassbender a participé activement à un certain nombre de projets de recherche et de publications axés sur le cycle du carbone dans l'océan, en mettant l'accent sur la pompe à carbone biologique et les processus qui contrôlent la façon dont les océans absorbent le carbone généré par l'homme. Le texte suivant décrit certains de ces travaux révolutionnaires.
L'importance des saisons en mer
En septembre 2018, Fassbender a publié un article de recherche dans Cycles biogéochimiques mondiaux qui a souligné l'importance des changements saisonniers dans les concentrations de dioxyde de carbone dans différentes parties de l'océan.
Le dioxyde de carbone gazeux est plus soluble dans l'eau froide que dans l'eau chaude. Par conséquent, le réchauffement saisonnier des eaux de surface au printemps et en été augmente la pression partielle du dioxyde de carbone gazeux dans l'eau de mer (la pression partielle d'un gaz est directement liée à sa concentration). Cependant, les algues microscopiques se développent rapidement au printemps et en été, consommer du dioxyde de carbone. Dans certains contextes, cela contrecarre l'effet du réchauffement des eaux.
Parce que le gaz carbonique est plus soluble dans l'eau froide, le refroidissement saisonnier de l'océan pendant l'hiver fait chuter la pression partielle du gaz carbonique. En outre, les turbulences des tempêtes hivernales apportent des eaux profondes, riche en dioxyde de carbone, vers la surface pendant l'hiver, qui fonctionne pour contrer l'influence de l'eau plus froide.
Ces processus sont communs à toutes les régions océaniques, mais leur calendrier et leur ampleur peuvent différer d'un endroit à l'autre, entraînant des cycles saisonniers uniques de dioxyde de carbone dans les eaux de surface.
À la suite des processus décrits ci-dessus, les zones océaniques des hautes latitudes absorbent généralement le dioxyde de carbone de l'atmosphère pendant les mois de printemps et d'été en raison de l'activité biologique et libèrent du dioxyde de carbone dans l'atmosphère pendant l'automne et l'hiver en raison d'un mélange profond.
Dans les zones de basse latitude (plus proche de l'équateur), les changements saisonniers de la température de l'eau dictent en grande partie les variations de dioxyde de carbone à la surface des océans. Le résultat est que ces zones ont tendance à avoir des pressions partielles de dioxyde de carbone plus élevées en été et des valeurs plus faibles en hiver.
Le récent article de Fassbender a montré que le carbone généré par l'homme entrant dans les océans modifiera ces cycles saisonniers, par exemple, en amplifiant les extrêmes saisonniers de manière asymétrique. Par exemple, certaines régions peuvent afficher une croissance plus importante du niveau maximum estival que du niveau minimum hivernal de dioxyde de carbone au fil du temps, provoquant une augmentation globale de la gamme des variations saisonnières du dioxyde de carbone.
Cette découverte a des implications importantes sur la façon dont l'absorption de carbone océanique peut changer à l'avenir. En outre, cela suggère que les scientifiques doivent faire des observations couvrant toute l'année pour estimer avec précision les tendances à long terme de la teneur en dioxyde de carbone de la surface des océans, parce que les tendances en hiver et en été peuvent ne pas être les mêmes.
Rassembler les chercheurs de terrain et les modélisateurs
Bien que les scientifiques aient définitivement besoin de plus de mesures du carbone hivernal dans les zones de haute latitude de l'océan, il existe de nombreuses autres zones océaniques où les détails du cycle du carbone ne sont pas bien compris. Par exemple, les courants dits de frontière ouest, " comme le Gulf Stream dans le nord-ouest de l'Atlantique et le courant de Kuroshio dans le nord-ouest du Pacifique, sont d'une importance vitale pour le transport de la chaleur et du carbone à travers l'océan mondial.
À l'automne 2017, Fassbender a co-organisé un atelier au MBARI où des chercheurs sur le terrain et des experts en modélisation informatique ont pu discuter du cycle du carbone dans les courants de frontière ouest. Les principaux objectifs de l'atelier étaient de réunir des scientifiques observationnels et des modélisateurs pour comparer leurs résultats et proposer des méthodes pour combler les lacunes dans la compréhension des scientifiques de ces domaines. Ils étaient particulièrement intéressés par la collecte de nouvelles données qui amélioreront les modèles informatiques du cycle du carbone océanique.
L'atelier était coparrainé par le programme américain de variabilité et de prévisibilité du climat (CLIVAR) et le programme américain sur le carbone océanique et la biogéochimie. Après l'atelier, Fassbender et ses collègues ont compilé et édité un rapport qui résume les questions clés et les recommandations liées au cycle du carbone dans les courants de frontière ouest, qui a été publié en août 2018 et présenté au US CLIVAR Inter-Agency Group en octobre 2018.
Améliorer les estimations satellitaires de la mise à jour du carbone océanique
La NASA adopte une autre approche pour relever le défi de la mondialisation, toute l'année, surveillance du carbone océanique. Parallèlement à la parution de son récent article dans Global Biogeochemical Cycles, Fassbender et d'autres chercheurs de MBARI ont participé à une grande expérience sur le terrain appelée Export Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS), qui a été financé par la NASA et la National Science Foundation.
Au cours de la campagne de recherche EXPORTS été 2018, deux grands navires de recherche océanographique et des scientifiques de plus de 15 équipes de projet et de nombreuses institutions de recherche américaines se sont rendus dans le Pacifique Nord pour collecter des données sur la pompe biologique, en utilisant une large gamme d'instruments de laboratoire de pointe, capteurs et robots autonomes, et satellites.
Les satellites offrent un long terme, vue globale de l'océan. Cependant, capteurs satellitaires, pour la plupart, n'observent que les couches supérieures de l'océan. Ainsi, un objectif principal de l'expérience EXPORTS était de découvrir les détails de la pompe biologique et leur relation avec les propriétés optiques dans la colonne d'eau (qui peuvent être observées par des satellites). Cela signifiait creuser dans le physique, chimique, et les processus biologiques impliqués dans la pompe biologique.
En apprenant davantage sur les mécanismes impliqués dans la pompe biologique, les chercheurs espèrent améliorer les estimations par satellite de la quantité de carbone exportée vers les grands fonds. En comparant les observations de surface et de subsurface dans le Pacifique Nord (ainsi que dans l'Atlantique Nord lors d'une seconde expérience en 2020), Des chercheurs financés par la NASA et la NSF développeront de meilleures méthodes d'utilisation des observations satellitaires pour étudier le cycle du carbone marin.
Au cours de l'expérience EXPORTS, Fassbender et ses collègues ont utilisé des robots, flotteurs à la dérive océan-chimie, et d'autres instruments automatisés pour mesurer les processus physiques et biologiques dans le Pacifique Nord-Est, aussi bien en surface qu'en profondeur. Les flotteurs resteront en mer pendant des années à la fois, permettant à Fassbender et à ses collègues d'estimer la quantité de carbone stockée à différentes profondeurs de l'océan et à différentes périodes de l'année. L'équipe commence tout juste à analyser les données de ces instruments.
Acidification des océans dans le nord-ouest du Pacifique
Tous les projets énumérés ci-dessus montrent l'importance de collecter de nouvelles données qui montrent comment la chimie du carbone dans l'océan change tout au long de l'année. Mais Fassbender s'intéresse également aux mesures historiques et aux tendances à long terme de la chimie du carbone, y compris le processus d'acidification des océans.
L'acidification des océans se produit lorsque le dioxyde de carbone se dissout dans les eaux de surface de l'océan, diminution de la concentration en ions carbonate, et rendant l'eau de mer plus acide. En juillet 2018, Fassbender et ses collègues ont publié un article dans Earth System Science Data qui portait sur l'acidification des océans autour de l'État de Washington, une zone où l'industrie des coquillages côtiers subit peut-être déjà les impacts de l'évolution de la chimie des océans.
En préparant ce papier, Fassbender et ses co-auteurs ont rassemblé et analysé pratiquement toutes les données existantes et historiques sur la chimie du carbone pour cette région - environ 100, 000 mesures en tout. Cela comprenait des données historiques d'« atlas océaniques » ainsi que des données de navires de recherche, bouées de surveillance, et des expériences sur le terrain.
Cette étude était unique car elle a fourni des informations de base modernes sur la variabilité saisonnière de nombreuses données sur le carbone océanique dans toute la région, informations qui n'existaient pas auparavant. Ces données sur le carbone comprenaient le pH (acidité) de l'eau de mer de surface, gaz carbonique, carbone inorganique dissous, alcalinité totale, et l'état de saturation de l'aragonite (un minéral qui compose les coquilles de nombreux organismes marins). Les données compilées serviront de référence précieuse qui aidera les scientifiques à détecter les changements dans la chimie de l'eau de mer dans cette région au cours des années et des décennies à venir.
En plus de fournir une base de référence, ou le sens de ce qui est actuellement normal dans les eaux océaniques de l'État de Washington, la recherche a mis en évidence des différences majeures dans la chimie du carbone entre les eaux semi-fermées de Puget Sound et l'océan Pacifique ouvert. Par exemple, les données ont montré que la plage saisonnière de l'acidité de l'eau de mer de surface dans le canal Hood est environ 27 fois plus grande que dans les eaux océaniques au large de Washington.
Cette découverte indique que les algues et les animaux vivant dans les eaux protégées du nord-ouest du Pacifique sont exposés à des changements saisonniers d'acidité beaucoup plus importants (en plus de toutes les autres variables du système carbonaté évaluées) que ceux vivant dans les eaux océaniques ouvertes à proximité.
L'avenir automatisé des mesures de la chimie des océans
Ces jours, Fassbender poursuit son travail sur le cyclisme en carbone sur plusieurs fronts. Au cours de 2019, elle espère développer un nouvel instrument de chimie du carbone à utiliser sur des bouées océaniques et des robots de surface qui peuvent rester en mer pendant des mois à la fois et traverser de vastes zones de l'océan. Fassbender travaille avec plusieurs ingénieurs de MBARI sur ce projet, ainsi que des chercheurs de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) et de l'Université d'Hawaï.
L'un de leurs objectifs est d'installer le nouvel instrument sur les bouées de surveillance climatique de la NOAA. Les instruments existants sur ces bouées mesurent le dioxyde de carbone dans l'atmosphère et à la surface de l'océan, et certaines bouées sont également équipées de capteurs de pH. Le nouvel instrument mesurerait le carbone inorganique dissous en plus du dioxyde de carbone, fournir aux scientifiques de nouvelles informations sur l'absorption du carbone océanique et les changements dans la chimie des océans.
Au niveau mondial, Fassbender note que, au cours des 10 dernières années, un effort concerté pour étendre et compiler les observations tout au long de l'année des observations de dioxyde de carbone à la surface des océans a déjà permis aux scientifiques de mieux comprendre la quantité de carbone se déplaçant entre l'océan et l'atmosphère chaque année. Elle espère qu'en développant de nouveaux instruments et en les distribuant sur des plateformes à travers le monde, elle et ses collègues chercheurs obtiendront des informations précieuses sur les détails les plus fins du cycle du carbone dans les régions océaniques éloignées. Ceci à son tour, contribuera à améliorer les modèles informatiques critiques que les scientifiques utilisent pour prédire le climat futur sur Terre.
