Comment le changement climatique affecte-t-il les eaux et les écosystèmes océaniques ?

Ducklow dans une grotte de glace glaciaire près de la station Palmer, Antarctique, 2006. Le glacier s'est effondré et a dépéri un an ou deux plus tard. Crédit :Hugh Ducklow

L'océanographe biologique Hugh Ducklow étudie le réseau trophique marin et son interaction avec les propriétés physiques des océans. Une grande partie de son travail s'effectue dans le cadre du programme américain de recherche écologique à long terme (LTER), dans lequel les chercheurs ont étudié pendant des décennies les tendances dans 28 régions terrestres et marines des États-Unis, ainsi que sur quelques sites ailleurs. En plus de l'océan ouvert, les études englobent les déserts, les côtes, les rivières, les forêts et les prairies. De 2012 à 2018, alors qu'il était basé à l'observatoire de la Terre Lamont-Doherty de l'Université de Columbia, Ducklow a dirigé le site Palmer Station LTER, la base des croisières annuelles à travers 800 kilomètres d'eaux glacées au large de la péninsule antarctique.

À l'occasion du 40e anniversaire du programme LTER, des chercheurs viennent de publier une série d'articles sur l'impact du changement climatique sur leurs sites. Ducklow a dirigé la section sur les environnements de haute mer qui, en plus de l'Antarctique, s'étend sur les eaux au large de l'Alaska, de la Californie et du nord-est des États-Unis. Nous avons discuté avec lui de son travail, de ses observations et de celles de ses collègues et des perspectives d'avenir.

Pourquoi devrions-nous nous soucier de l'impact du changement climatique sur les océans ?

Outre le fait que les fruits de mer constituent la principale source de protéines pour environ 3 milliards de personnes, l'océan absorbe une grande partie de la chaleur excessive et du dioxyde de carbone généré par l'homme. Environ 90% de toute la chaleur excédentaire produite par l'effet de serre depuis la révolution industrielle se trouve dans l'océan. L'océan mondial a également absorbé environ un quart à un tiers de nos émissions de dioxyde de carbone. Ces deux processus maintiennent les températures de l'air plus fraîches qu'elles ne le seraient autrement. Mais ils viennent tous les deux avec des coûts. L'océan se réchauffe en raison de la chaleur ajoutée. Le signal de réchauffement causé par l'homme est même détectable dans les profondeurs de l'océan Austral. L'augmentation de l'absorption de dioxyde de carbone provoque l'acidification des océans. Les conséquences écologiques du réchauffement et de l'acidification commencent à peine à être comprises, et la capacité future de continuer à stocker la chaleur et le CO₂ n'est pas certain.

Quels sont certains des effets physiques du climat sur les eaux océaniques, et où les voyons-nous le plus fortement ?

Comme je l'ai dit, les océans se réchauffent, mais le réchauffement et ses effets ne sont pas uniformes dans l'espace ou dans le temps. Les réponses au changement climatique par le système physique sont les plus fortes et les plus évidentes à la surface. Ceci est important car la chaleur et le CO₂ y sont échangés, et parce que le phytoplancton y pousse. Selon les vents, les tempêtes et les courants, la couche de surface variera en profondeur de presque zéro en été à plus de 1 000 mètres en hiver. La température affecte la profondeur de la couche de surface et, dans le cas des sites polaires, la banquise également. Près des pôles en hiver, il y a peu ou pas d'irradiation solaire et la glace de mer recouvre l'océan. Au printemps, lorsque le soleil se lève, la surface de l'océan se réchauffe et la banquise fond, ajoutant de l'eau douce à la surface. Les eaux plus chaudes et plus fraîches sont moins denses que les eaux plus froides et plus salées, et donc la couche de surface est peu profonde.

La profondeur de la couche mixte de surface diminue sur la plupart des sites du réseau LTER - Palmer Antarctique, le plateau continental du nord-est des États-Unis et le nord du golfe de l'Alaska. Cependant, aucun changement n'est évident dans le courant de Californie, malgré un record ininterrompu d'observations depuis 1950 et le réchauffement de la température de l'eau.

Quels changements biologiques ont lieu ? Pouvons-nous les relier clairement aux tendances climatiques ?

La profondeur de la couche de surface de l'océan contrôle le taux de croissance du phytoplancton. Lorsque la couche de surface est peu profonde, le phytoplancton est retenu par la lumière du soleil, mais n'a pas accès aux nutriments. Lorsque la couche de surface est profonde, le phytoplancton peut accéder aux nutriments, mais la lumière du soleil est faible ou absente. Les tendances du phytoplancton ont été documentées dans certains sites LTER, mais pas dans tous. Le phytoplancton est le seul organisme pouvant être détecté par satellite, mais les tendances de son abondance ne sont pas aussi claires que les changements physiques que je viens de décrire. Les preuves de phytoplancton augmentent en Antarctique, comme prévu dans une couche de surface peu profonde, mais diminuent sur le plateau continental du nord-est des États-Unis, malgré la faible profondeur. Aucun changement n'est visible sur les autres sites. Le zooplancton montre des tendances à la hausse en Antarctique, comme prévu par l'augmentation du phytoplancton. Ils augmentent également dans le système du courant de Californie, même si le phytoplancton ne le fait pas.

Même s'il existe de longs enregistrements de changements dans le courant de Californie (70 ans), le plateau nord-est des États-Unis (40 ans) et l'Antarctique de Palmer (30 ans), il est encore difficile de dire avec certitude qu'ils sont causés par le changement climatique. Les simulations numériques de l'imagerie satellitaire suggèrent qu'environ 50 ans est le temps minimum nécessaire pour attribuer les tendances observées au changement climatique. Certains changements peuvent prendre un siècle ou plus.

Se passe-t-il des événements en Antarctique qui le distinguent des autres régions ?

Une caractéristique simple des mers arctiques et antarctiques est qu'elles sont recouvertes de glace de mer. Mais la durée et l'étendue de la couverture de glace diminuent à mesure que les océans polaires se réchauffent. Les cycles de vie des organismes arctiques et antarctiques tels que le krill et les oiseaux de mer sont adaptés à la couverture de glace saisonnière et peuvent être perturbés à mesure que la couverture diminue. La glace de mer bloque la lumière du soleil, influençant le moment de la prolifération du phytoplancton. Bien que la banquise diminue rapidement aux deux pôles, les effets sont incertains. À mesure que la banquise diminue, de nouvelles zones autrefois couvertes de glace s'ouvrent à la croissance du phytoplancton, élargissant ainsi l'écosystème marin polaire. Mais à mesure que la couverture disparaît, sa contribution d'eau douce va diminuer et diminuer la couche fraîche à la surface de l'océan. L'impact net sur le futur écosystème n'est pas clair.

Une autre caractéristique distinctive des écosystèmes antarctiques semble être la diversité et le rythme des changements écologiques. Nous supposons que la variabilité et les changements climatiques affectent d'abord les propriétés physiques, puis les changements physiques provoquent des réponses écologiques. Les réponses écologiques peuvent être organisées en celles qui commencent par le phytoplancton à la base du réseau trophique, c'est-à-dire des réponses ascendantes ; et ceux qui affectent les prédateurs supérieurs comme les pingouins avec des changements qui se répercutent sur le réseau trophique ou des réponses descendantes. En Antarctique, nous constatons des changements dans le climat et les systèmes physiques et dans tout le réseau trophique, des diatomées au krill en passant par les pingouins. Ces processus se rencontrent au milieu, convergeant vers le krill.

Observons-nous ces sites depuis suffisamment longtemps pour avoir une bonne idée de l'avenir ?

Le temps nécessaire pour savoir où se dirigent les écosystèmes dépend des changements qui vous intéressent. Il est plus facile d'observer et de documenter les changements physiques, car le système ne se compose que de chaleur, de salinité, de courants et de mélange, et parce que nous avons de bons instruments pour faire des mesures de précision de ces variables. En revanche, des dizaines à des centaines de mesures différentes sont nécessaires pour caractériser la variabilité des réponses biologiques multi-espèces, et seules quelques-unes peuvent être échantillonnées et mesurées à distance. À quelques exceptions près, la détection des changements pour de nombreux groupes d'organismes dépend toujours de scientifiques et d'étudiants individuels qui effectuent des comptages visuels un par un simples, longs et fastidieux. Ces mesures s'automatisent lentement. Les drones, l'acoustique embarquée, les caméras vidéo numériques submersibles et les planeurs océaniques instrumentés commencent à fournir des vues complètes en temps réel des océans. La couverture de glace de mer et les icebergs sont encore de gros obstacles pour laisser les instruments sans surveillance pendant l'hiver, de sorte que de nombreuses mesures sont limitées aux mois d'été sans glace.

Quels ont été certains des défis liés au travail au large de l'Antarctique ?

Il y a des défis évidents :planifier le travail dans un endroit éloigné (le voyage prend sept jours de porte à porte dans chaque sens) et anticiper tout ce dont vous pourriez avoir besoin. Il y a les tempêtes, la haute mer, la couverture de glace. Nous sommes restés coincés dans la glace pendant deux semaines en septembre 2001. Ensuite, des problèmes de chaîne d'approvisionnement, de recrutement de personnel et de maintien d'une série chronologique d'observations et de mesures de haute qualité sur des décennies. Le travail de préparation pour l'année prochaine commence littéralement avant votre départ pour le navire cette année. Le projet n'est pas simplement la série chronologique, mais une recherche scientifique vivante et évolutive avec des détours erronés, des impasses et des découvertes inattendues. Malgré les défis, c'est un lieu de travail magnifique et passionnant. + Explorer plus loin