Les gyres subtropicaux sont d'énormes courants océaniques rotatifs qui génèrent des circulations soutenues dans les régions subtropicales de la Terre juste au nord et au sud de l'équateur. Ces gyres sont des tourbillons lents qui circulent dans des bassins massifs à travers le monde, ramassant des nutriments, des organismes et parfois des déchets, alors que les courants tournent d'un océan à l'autre.

Pendant des années, les océanographes ont été intrigués par des observations contradictoires dans les gyres subtropicaux. À la surface, ces courants massifs semblent héberger des populations saines de phytoplancton, des microbes qui alimentent le reste de la chaîne alimentaire océanique et sont responsables de l'aspiration d'une partie importante du dioxyde de carbone de l'atmosphère.

Mais à en juger par ce que les scientifiques savent de la dynamique des gyres, ils ont estimé que les courants eux-mêmes ne seraient pas en mesure de maintenir suffisamment de nutriments pour soutenir le phytoplancton qu'ils voyaient. Comment, alors, les microbes ont-ils pu prospérer ?

Maintenant, les chercheurs du MIT ont découvert que le phytoplancton peut recevoir des livraisons de nutriments de l'extérieur des gyres, et que le véhicule de livraison se présente sous la forme de tourbillons - des courants beaucoup plus petits qui tourbillonnent sur les bords d'un gyre. Ces tourbillons attirent les nutriments des régions équatoriales riches en nutriments et les poussent au centre d'un gyre, où les nutriments sont ensuite absorbés par d'autres courants et pompés à la surface pour nourrir le phytoplancton.

Les tourbillons océaniques, selon l'équipe, semblent être une source importante de nutriments dans les gyres subtropicaux. Leur effet reconstituant, que les chercheurs appellent un "relais de nutriments", aide à maintenir les populations de phytoplancton, qui jouent un rôle central dans la capacité de l'océan à séquestrer le carbone de l'atmosphère. Alors que les modèles climatiques ont tendance à prévoir une diminution de la capacité de l'océan à séquestrer le carbone au cours des prochaines décennies, ce "relais de nutriments" pourrait aider à maintenir le stockage du carbone dans les océans subtropicaux.

"Il y a beaucoup d'incertitude quant à l'évolution du cycle du carbone de l'océan à mesure que le climat continue de changer", déclare Mukund Gupta, postdoctorant à Caltech qui a dirigé l'étude en tant qu'étudiant diplômé au MIT. "Comme le montre notre article, la bonne répartition du carbone n'est pas simple et dépend de la compréhension du rôle des tourbillons et d'autres mouvements à petite échelle dans l'océan."

Gupta et ses collègues rapportent leurs découvertes cette semaine dans les Actes de l'Académie nationale des sciences . Les co-auteurs de l'étude sont Jonathan Lauderdale, Oliver Jahn, Christopher Hill, Stephanie Dutkiewicz et Michael Follows du MIT, et Richard Williams de l'Université de Liverpool.

Un puzzle enneigé

Une coupe transversale d'un tourbillon océanique ressemble à un empilement de bols de nidification stratifiés par densité :des couches plus chaudes et plus légères se trouvent à la surface, tandis que des eaux plus froides et plus denses constituent des couches plus profondes. Le phytoplancton vit dans les couches supérieures éclairées par le soleil de l'océan, où les microbes ont besoin de soleil, de températures chaudes et de nutriments pour se développer.

Lorsque le phytoplancton meurt, il coule à travers les couches de l'océan sous forme de "neige marine". Une partie de cette neige libère des nutriments dans le courant, où ils sont pompés pour nourrir de nouveaux microbes. Le reste de la neige coule hors du gyre, jusqu'aux couches les plus profondes de l'océan. Plus la neige s'enfonce profondément, plus il est difficile de la remonter à la surface. La neige est ensuite piégée ou séquestrée, ainsi que tout carbone et nutriments non libérés.

Les océanographes pensaient que la principale source de nutriments dans les gyres subtropicaux provenait de la neige marine en recirculation. Mais comme une partie de cette neige coule inévitablement au fond, il doit y avoir une autre source de nutriments pour expliquer les populations saines de phytoplancton à la surface. La nature exacte de cette source "a laissé la communauté océanographique un peu perplexe pendant un certain temps", déclare Gupta.

Tourbillons sur le bord

Dans leur nouvelle étude, l'équipe a cherché à simuler un gyre subtropical pour voir quelles autres dynamiques pourraient être à l'œuvre. Ils se sont concentrés sur le gyre du Pacifique Nord, l'un des cinq principaux gyres de la Terre, qui circule sur la majeure partie de l'océan Pacifique Nord et s'étend sur plus de 20 millions de kilomètres carrés.

L'équipe a commencé avec le MITgcm, un modèle de circulation générale qui simule les modèles de circulation physique dans l'atmosphère et les océans. Pour reproduire la dynamique du gyre du Pacifique Nord de la manière la plus réaliste possible, l'équipe a utilisé un algorithme MITgcm, précédemment développé à la NASA et au MIT, qui ajuste le modèle pour qu'il corresponde aux observations réelles de l'océan, telles que les courants océaniques enregistrés par les satellites, ainsi que la température et la salinité. mesures prises par les navires et les dériveurs.

"Nous utilisons une simulation de l'océan physique qui est aussi réaliste que possible, compte tenu de la machinerie du modèle et des observations disponibles", explique Lauderdale.

Le modèle réaliste a capturé des détails plus fins, à une résolution inférieure à 20 kilomètres par pixel, par rapport à d'autres modèles qui ont une résolution plus limitée. L'équipe a combiné la simulation du comportement physique de l'océan avec le modèle Darwin, une simulation des communautés microbiennes telles que le phytoplancton, et de leur croissance et de leur évolution avec les conditions océaniques.

L'équipe a exécuté la simulation combinée du gyre du Pacifique Nord sur une décennie et a créé des animations pour visualiser le schéma des courants et les nutriments qu'ils transportent, dans et autour du gyre. Ce qui a émergé était de petits tourbillons qui couraient le long des bords de l'énorme gyre et semblaient être riches en nutriments.

"Nous avons capté de petits mouvements tourbillonnaires, essentiellement comme des systèmes météorologiques dans l'océan", explique Lauderdale. "Ces tourbillons transportaient des paquets d'eaux riches en nutriments, de l'équateur, du nord au centre du gyre et vers le bas le long des côtés des bols. Nous nous sommes demandé si ces transferts de tourbillons constituaient un mécanisme de livraison important."

Étonnamment, les nutriments se déplacent d'abord plus profondément, loin de la lumière du soleil, avant d'être renvoyés vers le haut où vit le phytoplancton. L'équipe a découvert que les tourbillons océaniques pouvaient fournir jusqu'à 50 % des nutriments dans les gyres subtropicaux.

"C'est très important", dit Gupta. "Le processus vertical qui recycle les nutriments de la neige marine n'est que la moitié de l'histoire. L'autre moitié est l'effet de reconstitution de ces tourbillons. Comme les gyres subtropicaux contribuent à une part importante des océans du monde, nous pensons que ce relais de nutriments est d'une importance mondiale." + Explorer plus loin

Comment le phytoplancton survit dans les gyres océaniques avec de faibles apports en nutriments