La vie marine microscopique joue un rôle fondamental dans la santé de l'océan et, finalement, la planète. Tout comme les plantes sur terre, le minuscule phytoplancton utilise la photosynthèse pour consommer du dioxyde de carbone et le convertir en matière organique et en oxygène. Cette transformation biologique est connue sous le nom de productivité primaire marine.

Dans une nouvelle étude en Géosciences de la nature aujourd'hui, Le scientifique principal de MBARI, Ken Johnson, et l'ancienne boursière postdoctorale de MBARI, Mariana Bif, ont démontré comment une flotte de flotteurs robotisés pourrait révolutionner notre compréhension de la productivité primaire dans l'océan à l'échelle mondiale.

Les données recueillies par ces flotteurs permettront aux scientifiques d'estimer plus précisément comment le carbone circule de l'atmosphère vers l'océan et de jeter un nouvel éclairage sur le cycle mondial du carbone. Les changements dans la productivité du phytoplancton peuvent avoir des conséquences profondes, comme affecter la capacité de l'océan à stocker le carbone et modifier les réseaux trophiques océaniques. Face au changement climatique, comprendre le rôle de l'océan dans l'extraction du carbone de l'atmosphère et son stockage pendant de longues périodes est impératif.

"Basé sur des modèles informatiques imparfaits, nous avons prédit que la production primaire par le phytoplancton marin diminuera dans un océan plus chaud, mais nous n'avions aucun moyen de faire des mesures à l'échelle mondiale pour vérifier les modèles. Maintenant, nous le faisons, " a déclaré Ken Johnson, scientifique principal de MBARI.

En transformant le dioxyde de carbone en matière organique, le phytoplancton soutient non seulement les réseaux trophiques océaniques, ils sont la première étape de la pompe à carbone biologique de l'océan.

Le phytoplancton consomme le dioxyde de carbone de l'atmosphère et l'utilise pour construire son corps. Les organismes marins mangent ce phytoplancton, mourir, puis s'enfoncer dans les grands fonds marins. Ce carbone organique est progressivement respiré par les bactéries en dioxyde de carbone. Comme beaucoup de choses se produisent à de grandes profondeurs, le carbone est maintenu à l'écart de l'atmosphère pendant de longues périodes. Ce processus séquestre le carbone dans les masses d'eau et les sédiments d'eau profonde et est un élément crucial dans la modélisation du climat de la Terre aujourd'hui et à l'avenir.

La productivité primaire marine fluctue en réponse aux changements de notre système climatique. « Nous pourrions nous attendre à ce que la productivité primaire mondiale change avec le réchauffement climatique, " a expliqué Johnson. " Il pourrait monter à certains endroits, vers le bas chez les autres, mais nous n'avons pas une bonne idée de la façon dont ceux-ci s'équilibreront. » La surveillance de la productivité primaire est cruciale pour comprendre l'évolution de notre climat, mais observer la réponse à l'échelle mondiale a été un problème important.

Mesurer directement la productivité dans l'océan nécessite de collecter et d'analyser des échantillons. Les limitations des ressources et de l'effort humain rendent les observations directes à l'échelle mondiale avec une résolution saisonnière à annuelle difficile et un coût prohibitif. Au lieu, la télédétection par satellite ou les modèles de circulation générés par ordinateur offrent la résolution spatiale et temporelle requise. "Les satellites peuvent être utilisés pour faire des cartes globales de la productivité primaire, mais les valeurs sont basées sur des modèles et ne sont pas des mesures directes, " a averti Johnson.

"Les scientifiques estiment qu'environ la moitié de la productivité primaire de la Terre se produit dans l'océan, mais la rareté des mesures ne pouvait pas encore nous donner une estimation globale fiable pour l'océan, " a ajouté Mariana Bif, océanographe biogéochimique et ancien stagiaire postdoctoral au MBARI. Maintenant, les scientifiques disposent d'une nouvelle alternative pour étudier la productivité des océans :des milliers de robots autonomes dérivant à travers l'océan.

Ces robots donnent aux scientifiques un aperçu de la productivité primaire marine dans toute la zone, profondeur, et le temps. Ils transforment considérablement notre capacité à estimer la quantité de carbone que l'océan mondial accumule chaque année. Par exemple, l'océan Indien et le milieu de l'océan Pacifique Sud sont des régions où les scientifiques ont très peu d'informations sur la productivité primaire. Mais cela a changé avec le déploiement de flotteurs biogéochimiques-Argo (BGC-Argo) à travers le monde.

« Ce travail représente une étape importante dans l'acquisition de données océaniques, " a souligné Bif. " Cela montre combien de données nous pouvons collecter de l'océan sans y aller réellement. "

Les flotteurs profilés BGC-Argo mesurent la température, salinité, oxygène, pH, chlorophylle, et nutriments. Lorsque les scientifiques déploient pour la première fois un flotteur BGC-Argo, il descend à 1, 000 mètres (3, 300 pieds) de profondeur et dérive à cette profondeur. Puis, sa programmation autonome se met au travail en profilant la colonne d'eau. Le flotteur descend à 2, 000 mètres (6, 600 pieds), remonte ensuite à la surface. Une fois à la surface, le flotteur communique avec un satellite pour envoyer ses données aux scientifiques à terre. Ce cycle est ensuite répété tous les 10 jours.

Au cours de la dernière décennie, une flotte croissante de flotteurs BGC-Argo a pris des mesures à travers l'océan mondial. Les flotteurs capturent des milliers de profils chaque année. Cette mine de données a fourni à Johnson et Bif des mesures dispersées de l'oxygène au fil du temps.

Connaître le modèle de production d'oxygène a permis à Johnson et Bif de calculer la productivité primaire nette à l'échelle mondiale.

Lors de la photosynthèse, le phytoplancton consomme du dioxyde de carbone et libère de l'oxygène dans un certain rapport. En mesurant la quantité d'oxygène libérée par le phytoplancton au fil du temps, les chercheurs peuvent estimer la quantité de carbone produite par le phytoplancton et la quantité de dioxyde de carbone qu'il consomme. "L'oxygène monte dans la journée à cause de la photosynthèse, vers le bas la nuit en raison de la respiration - si vous pouvez obtenir le cycle quotidien d'oxygène, vous avez une mesure de la productivité primaire, " a expliqué Johnson. Bien qu'il s'agisse d'un modèle bien connu, ce travail représente la première fois qu'il a été mesuré quantitativement par des instruments à l'échelle mondiale plutôt qu'estimé par la modélisation et d'autres outils.

Mais les flotteurs de profilage n'échantillonnent qu'une fois tous les 10 jours, et Johnson et Bif ont eu besoin de plusieurs mesures en une journée pour obtenir un cycle quotidien. Une nouvelle approche d'analyse des données des flotteurs a permis à Johnson et Bif de calculer la productivité primaire de l'océan. Avec chaque flotteur de profilage venant à un moment différent de la journée, la combinaison des données de 300 flotteurs et d'échantillons à différents moments de la journée a permis à Johnson et Bif de recréer le cycle quotidien de l'oxygène montant et descendant, puis de calculer la productivité primaire.

Pour confirmer l'exactitude des estimations de productivité primaire calculées à partir des flotteurs BGC-Argo, Johnson et Bif ont comparé leurs données flottantes aux données d'échantillonnage à partir de navires dans deux régions :la station HOT (Hawaii Ocean Time-series) et la station Bermuda Atlantic Time-series (BATS). Les données acquises à partir des flotteurs de profilage à proximité de ces régions ont donné des résultats similaires à ceux de l'échantillonnage mensuel des navires sur ces deux sites pendant de nombreuses années.

Johnson et Bif ont découvert que le phytoplancton produisait environ 53 pétagrammes de carbone par an. Cette mesure était proche des 52 pétagrammes de carbone par an estimés par les modèles informatiques les plus récents. (Un pétagramme vaut 1, 000, 000, 000, 000 kilogrammes, ou une gigatonne, et à peu près l'équivalent du poids de 200 millions d'éléphants.) Cette étude a validé des modèles biogéochimiques récents et a souligné à quel point ces modèles sont devenus robustes.

Les données haute résolution des flotteurs BGC-Argo peuvent aider les scientifiques à mieux calibrer les modèles informatiques pour simuler la productivité et s'assurer qu'ils représentent les conditions océaniques réelles. Ces nouvelles données permettront aux scientifiques de mieux prédire comment la productivité primaire marine réagira aux changements de l'océan en simulant différents scénarios tels que le réchauffement des températures, changements dans la croissance du phytoplancton, L'acidification des océans, et les changements dans les nutriments. Au fur et à mesure que les flotteurs sont déployés, Johnson et Bif s'attendent à ce que les résultats de leur étude puissent être mis à jour, incertitudes décroissantes.

"Nous ne pouvons pas encore dire s'il y a un changement dans la productivité primaire des océans parce que notre série chronologique est trop courte, " a averti Bif. "Mais cela établit une base de référence actuelle à partir de laquelle nous pourrions détecter les changements futurs. Nous espérons que nos estimations seront intégrées dans des modèles, y compris ceux utilisés pour les satellites, pour améliorer leurs performances."

Mais déjà, la richesse des données de ces flotteurs s'est avérée inestimable pour améliorer notre compréhension de la productivité primaire marine et comment le climat de la Terre est lié à l'océan.

Les flotteurs BGC-Argo ont joué un rôle déterminant dans le projet d'observations et de modélisation du carbone et du climat de l'océan Austral (SOCCOM), un programme parrainé par la NSF visant à percer les mystères de l'océan Austral et à déterminer son influence sur le climat. Et l'année dernière a marqué le début du projet Global Ocean Biogeochemistry Array (GO-BGC Array), qui permettra aux scientifiques d'approfondir des questions fondamentales sur les écosystèmes océaniques, observer la santé et la productivité des écosystèmes, et surveiller les cycles élémentaires du carbone, oxygène, et de l'azote dans l'océan à toutes les saisons de l'année.

Les informations recueillies par ces initiatives mondiales collaboratives fournissent des données essentielles à l'amélioration des modèles informatiques des pêches océaniques et du climat, ainsi qu'à la surveillance et à la prévision des effets du réchauffement et de l'acidification des océans sur la vie marine.