La « pompe biologique » de l'océan décrit les nombreux processus marins qui agissent pour absorber le dioxyde de carbone de l'atmosphère et le transporter profondément dans l'océan, où il peut rester séquestré pendant des siècles. Cette pompe océanique est un puissant régulateur du dioxyde de carbone atmosphérique et un ingrédient essentiel de toute prévision climatique mondiale.

Mais une nouvelle étude du MIT met en évidence une incertitude importante dans la façon dont la pompe biologique est représentée dans les modèles climatiques aujourd'hui. Les chercheurs ont découvert que l'équation "gold standard" utilisée pour calculer la force de la pompe a une plus grande marge d'erreur qu'on ne le pensait auparavant, et que les prédictions de la quantité de carbone atmosphérique que l'océan pompera à différentes profondeurs pourraient être fausses de 10 à 15 parties par million.

Étant donné que le monde émet actuellement du dioxyde de carbone dans l'atmosphère à un taux annuel d'environ 2,5 parties par million, l'équipe estime que la nouvelle incertitude se traduit par une erreur d'environ cinq ans dans les projections des cibles climatiques.

"Cette barre d'erreur plus grande pourrait être critique si nous voulons rester à moins de 1,5 degré du réchauffement visé par l'accord de Paris, " dit Jonathan Lauderdale, chercheur au Département de la Terre du MIT, Sciences atmosphériques et planétaires. "Si les modèles actuels prédisent que nous avons jusqu'en 2040 pour réduire les émissions de carbone, nous élargissons l'incertitude autour de cela, dire peut-être que nous avons maintenant jusqu'en 2035, ce qui pourrait être un gros problème."

Lauderdale et l'ancien étudiant diplômé du MIT B.B. Cael, maintenant au National Oceanography Center de Southampton, ROYAUME-UNI., ont publié aujourd'hui leur étude dans la revue Lettres de recherche géophysique .

Courbe de neige

Les processus marins qui contribuent à la pompe biologique de l'océan commencent par le phytoplancton, organismes microscopiques qui absorbent le dioxyde de carbone de l'atmosphère pendant leur croissance. Quand ils meurent, le phytoplancton coule collectivement dans la colonne d'eau sous forme de « neige marine, " emportant ce carbone avec eux.

"Ces particules pleuvent comme de la neige floconneuse blanche qui est toute cette substance morte tombant de la surface de l'océan, " dit Lauderdale.

A différentes profondeurs, les particules sont consommées par les microbes, qui convertissent le carbone organique des particules et le respirent dans l'océan profond dans un inorganique, forme minérale, dans un processus connu sous le nom de reminéralisation.

Dans les années 1980, les chercheurs ont collecté de la neige marine à des endroits et à des profondeurs dans tout le Pacifique tropical. A partir de ces observations, ils ont généré une relation mathématique de loi de puissance simple - la courbe de Martin, nommé d'après le membre de l'équipe John Martin - pour décrire la force de la pompe biologique, et combien de carbone l'océan peut reminéraliser et séquestrer à différentes profondeurs.

"La courbe de Martin est omniprésente, et c'est vraiment l'étalon-or [utilisé dans de nombreux modèles climatiques aujourd'hui], " dit Lauderdale.

Mais en 2018, Cael et son co-auteur Kelsey Bisson ont montré que la loi de puissance dérivée pour expliquer la courbe de Martin n'était pas la seule équation qui pouvait correspondre aux observations. La loi de puissance est une relation mathématique simple qui suppose que les particules tombent plus rapidement avec la profondeur. Mais Cael a découvert que plusieurs autres relations mathématiques, chacun basé sur des mécanismes différents d'enfoncement et de reminéralisation de la neige marine, pourrait également expliquer les données.

Par exemple, une alternative suppose que les particules tombent à la même vitesse quelle que soit la profondeur, tandis qu'un autre suppose que les particules lourdes, les coquilles de phytoplancton moins consommables tombent plus vite que celles sans.

"Il a découvert qu'on ne peut pas dire quelle courbe est la bonne, ce qui est un peu troublant, parce que chaque courbe a des mécanismes différents derrière elle, " Lauderdale dit. " En d'autres termes, les chercheurs pourraient utiliser la « mauvaise » fonction pour prédire la force de la pompe biologique. Ces écarts pourraient faire boule de neige et avoir un impact sur les projections climatiques. »

Une courbe, reconsidéré

Dans la nouvelle étude, Lauderdale et Cael ont examiné la différence que cela ferait pour les estimations du carbone stocké profondément dans l'océan s'ils modifiaient la description mathématique de la pompe biologique.

Ils ont commencé avec les mêmes six équations alternatives, ou courbes de reminéralisation, que Cael avait déjà étudié. L'équipe a examiné comment les prévisions des modèles climatiques concernant le dioxyde de carbone atmosphérique changeraient si elles étaient basées sur l'une des six alternatives, par rapport à la loi de puissance de la courbe de Martin.

Pour rendre la comparaison aussi statistiquement similaire que possible, ils ajustent d'abord chaque équation alternative à la courbe de Martin. La courbe de Martin décrit la quantité de neige marine qui atteint différentes profondeurs à travers l'océan. Les chercheurs ont entré les points de données de la courbe dans chaque équation alternative. Ils ont ensuite exécuté chaque équation dans le MITgcm, un modèle de circulation générale qui simule, entre autres processus, le flux de dioxyde de carbone entre l'atmosphère et l'océan.

L'équipe a fait avancer le modèle climatique à temps pour voir comment chaque équation alternative pour la pompe biologique a changé les estimations du modèle de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, par rapport à la loi de puissance de la courbe de Martin. Ils ont découvert que la quantité de carbone que l'océan est capable d'attirer et de séquestrer de l'atmosphère varie considérablement, selon la description mathématique de la pompe biologique qu'ils utilisaient.

"La partie surprenante était que même de petits changements dans la quantité de reminéralisation ou de neige marine la rendant à différentes profondeurs en raison des différentes courbes peuvent entraîner des changements importants dans le dioxyde de carbone atmosphérique, " dit Lauderdale.

Les résultats suggèrent que la force de pompage de l'océan, et les processus qui régissent la vitesse à laquelle la neige marine tombe, sont encore une question ouverte.

"Nous devons certainement faire beaucoup plus de mesures de la neige marine pour décomposer les mécanismes derrière ce qui se passe, " Lauderdale ajoute. " Parce que probablement tous ces processus sont pertinents, mais nous voulons vraiment savoir quels sont les moteurs de la séquestration du carbone. »

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.