Comment la couverture neigeuse de l'Himalaya peut-elle influencer les espèces qui prospèrent dans la mer d'Arabie ? Comment les changements de vitesse du vent et d'humidité pourraient-ils entraîner des problèmes de sécurité alimentaire et nationale à des milliers de kilomètres de distance ? Joaquim Goes, Helga do Rosario Gomes, et des collègues sur deux continents ont passé les deux dernières décennies à essayer de décoder ces énigmes.

L'histoire commence au début des années 2000, à peu près au moment où le satellite Aqua de la NASA a été lancé. Se rend, spécialiste de la télédétection de l'océan, examinait les données de SeaWiFS et Aqua. Il se concentrait sur la chlorophylle-a, un pigment utilisé par le phytoplancton océanique (et les plantes du monde entier) pour capter la lumière du soleil et la transformer en énergie alimentaire. Il se concentrait sur les observations des populations de phytoplancton dans la mer d'Arabie pendant la mousson d'été, mais par hasard, il regarda les données hivernales. Il y avait beaucoup plus de chlorophylle-a qu'on ne pouvait raisonnablement s'y attendre.

Au début, Goes a pensé que c'était une erreur. Mais au cours de la décennie suivante, des rapports faisant état d'une augmentation des algues et d'une diminution des captures de poissons sont parvenus de collègues d'Asie du Sud. Goes et Gomes ont fait plusieurs expéditions en mer et l'ont constaté par eux-mêmes :la mer d'Arabie regorgeait de Noctiluca scintillans, un organisme qui a été à peine signalé dans la région au cours des hivers précédents.

L'image ci-dessus montre une floraison de Noctiluca scintillans en 2019, comme observé par le satellite NOAA-NASA Suomi NPP. Le flottant, les organismes microscopiques sont des dinoflagellés vivant en symbiose avec les cellules d'algues vertes. Comme le phytoplancton océanique, Noctiluca scintillans peut se multiplier rapidement dans les bonnes conditions. (Noctiluca prospère souvent dans les eaux « hypoxiques » à faible teneur en oxygène.) Dérivant avec les courants, ils s'agrègent en vastes masses près de la surface. Dans le processus, ils peuvent épuiser l'oxygène de la mer, concurrencer d'autres phytoplanctons pour les nutriments ou les consommer pour se nourrir, et étouffer les petits prédateurs du zooplancton dans les « zones mortes » hypoxiques.

"Les changements que nous avons observés dans l'écosystème de la mer d'Oman sont parmi les plus rapides de toutes les masses d'eau océaniques de notre planète, " dit Goes, scientifique à l'Observatoire de la Terre de Lamont-Doherty. "L'habitat de la mer est en train de changer, et cela court-circuite la chaîne alimentaire."

Comment et pourquoi Noctiluca a fleuri dans la mer d'Arabie est une histoire compliquée d'interconnexions entre les systèmes terrestres et les ondulations inattendues qui se propagent à cause du réchauffement climatique.

À travers l'histoire humaine, la mer d'Arabie a été fortement influencée par les vents de mousson qui changent de direction selon les saisons et changent la direction des courants océaniques. Dans les hivers passés, les températures de l'air au-dessus du plateau himalayen-tibétain et de l'Asie méridionale chuteraient de manière significative et entraîneraient une sécheresse, des vents du nord-est soufflent sur la mer d'Oman. À son tour, le refroidissement des eaux de surface et les changements de densité se propageraient dans la colonne d'eau, déplacer la pycnocline, où la densité de l'eau change en raison de la salinité et/ou de la température, de haut en bas. La profondeur de cette couche océanique affecte la façon dont les nutriments remontent des profondeurs et alimentent la croissance du phytoplancton.

Ces changements hivernaux des courants et de la disponibilité des nutriments ont autrefois alimenté les proliférations de diatomées, un autre type de phytoplancton. Les diatomées étaient un maillon clé d'une chaîne alimentaire océanique qui nourrissait les copépodes et les poissons pendant l'hiver et, finalement, humains qui ont attrapé ces poissons.

Mais avec le réchauffement climatique des dernières décennies, moins de neige est tombée et s'est accumulée sur le plateau himalayen-tibétain et plus de neige et de glace ont fondu. Les températures sur les hautes terres et les basses terres ont augmenté, tout comme l'humidité. Au cours des deux dernières décennies, les vents d'hiver qui soufflent sur la mer d'Oman sont devenus plus chauds, plus calme, et plus humide. Par conséquent, les mers sont moins agitées et il y a moins de nutriments pour les diatomées et la plupart des autres phytoplanctons.

"Avec des vents et des eaux plus calmes et plus chaudes, il y a moins de ventilation et de mélange, " a déclaré Helga do Rosario Gomes, un océanographe biologiste, également à Lamont-Doherty. "Cela conduit à plus de stratification et à moins d'enrichissement en nitrates par le bas. Dans certains cas, cela provoque une hypoxie."

Ces changements ont été à peu près parfaits pour Noctiluca scintillans. Contrairement aux diatomées, Noctiluca peut prospérer lorsqu'il y a moins de nutriments dissous dans l'eau. Les graphiques ci-dessus montrent les changements coïncidents de 1980 à 2018 dans l'étendue de la couverture neigeuse sur le plateau himalayen-tibétain, la profondeur de la couche de mélange dans la mer d'Arabie en hiver, et la concentration de chlorophylle-a (un indicateur du phytoplancton). Les graphiques des « anomalies » montrent combien chaque année était au-dessus ou en dessous de la moyenne à long terme pour chaque variable. Snow extent and the depth of the mixed layer have been steadily declining, while wintertime blooms have been increasing.

"The changes observed in the Arabian Sea are an example of potential ecosystem changes that are induced by climate change, " said Laura Lorenzoni, ocean biology and biogeochemistry program scientist for NASA. "As Earth warms, we can expect greater stratification in the ocean and the migration of species poleward. There will also be greater chances of harmful algal blooms and of some more resilient species outcompeting others and shifting the entire ecosystem structure."

Scientists have modeled and speculated for years that global warming could change the snow and ice cover on the Himalayas and the Tibetan Plateau and that the effects might ripple across the sea. The belief was that the Arabian Sea would become less productive from December to March. Au lieu, it has become more productive, but for an entirely different set of creatures.

"There are far less diatoms now, and so there is a clear loss of biodiversity, " said Gomes. "There used to be more copepods, sardines, kingfish, mackerel, and pelagic fish." The plankton and diatoms have been replaced by mats of Noctiluca scintillans and an over-abundance of jellyfish and salps. The finfish have been replaced by turtles, calamar, and animals that can survive in lower oxygen environments.

In a 2020 research paper, Goes and Gomes used ocean color data from NASA and snow and ice cover data from the National Snow and Ice Data Center to piece the puzzle together. They found that winter chlorophyll-a in the Arabian Sea has been increasing steadily since the 1990s—as much as four times higher in some winters. Chlorophyll-a is a key pigment in ocean phytoplankton, including Noctiluca scintillans. The map above shows the trend—mostly increasing—in the Arabian Sea from 1996 to 2018.

The result is trouble for fisheries, particularly in a region with a lot of artisinal and subsistence fishing. "We are passing a tipping point, " said Goes. "The food chain has been turned upside down."

The changes are trouble for the people of the Middle East, eastern Africa, and southern Asia. An estimated 150 million people around the region rely on fishing for food and economic development. Yet the surplus of jellyfish and salps and the decrease in diatoms has depleted the food supply for edible fish."

"There will be cascading effects that will probably affect food availability for several countries in the region, " Goes said. "Noctiluca blooms, jellyfish, and salps are also posing huge challenges to desalination plants along the coast that supply freshwater to coastal Oman." Masses of jellyfish have been known to clog seawater intake pipes.

And the change to Noctiluca-dominated waters has an unusual ripple effect on national security. Noctiluca scintillans are bioluminescent:they glow when stimulated and this is especially visible at night. This trait can be used to track the movements of ships that churn up the plankton as they cruise. Sailors and pilots have been following such sparkling tracks for decades.

"There are many examples of phytoplankton running amok around the planet, " said Norman Kuring, a scientist in NASA's Ocean Biology Group. "The Baltic Sea has a new summertime normal of toxic cyanobacteria blooms. Green algae routinely clog the waters around China's Shandong Peninsula. Sargassum is becoming a real headache in the Caribbean. Lakes in the United States and globally are becoming increasingly eutrophic. There are troubling suggestions by respected scientists that our oceans may be headed towards a hypoxic, bacteria-dominated future."