Intensité de la zone déficiente en oxygène dans l’est de l’océan Pacifique, où les couleurs de cuivre représentent les emplacements des concentrations d’oxygène les plus faibles et la sarcelle profonde indique des régions sans oxygène dissous suffisamment faible. Crédit : Jarek Kwiecinski et Andrew Babbin
Les cartes 3D peuvent aider les chercheurs à suivre et à prédire la réponse de l’océan au changement climatique.
La vie grouille presque partout dans les océans, sauf dans certaines poches où l’oxygène s’effondre naturellement et les eaux deviennent invivables pour la plupart des organismes aérobies. Ces piscines désolées sont des « zones déficientes en oxygène » ou ODZ. Et bien qu’ils représentent moins de 1 pour cent du volume total de l’océan, ils sont une source importante de protoxyde d’azote, un puissant gaz à effet de serre. Leurs limites peuvent également limiter l’étendue des pêcheries et des écosystèmes marins.
À présent AVEC les scientifiques ont généré l’« atlas » tridimensionnel le plus détaillé des plus grandes zones ODZ du monde. Le nouvel atlas fournit des cartes à haute résolution des deux principaux plans d’eau privés d’oxygène dans le Pacifique tropical. Ces cartes révèlent le volume, l’étendue et les profondeurs variables de chaque ODZ, ainsi que des caractéristiques à petite échelle, telles que des rubans d’eau oxygénée qui pénètrent dans des zones autrement épuisées.
Rosette CTD de bouteilles Niskin capables de collecter de l’eau en profondeur et d’effectuer des mesures d’oxygène en continu. Crédit : Mary Lide Parker
L’équipe a utilisé une nouvelle méthode pour traiter plus de 40 ans de données océaniques, comprenant près de 15 millions de mesures prises par de nombreuses croisières de recherche et des robots autonomes déployés dans le Pacifique tropical. Les chercheurs ont compilé puis analysé ces données vastes et fines pour générer des cartes des zones pauvres en oxygène à différentes profondeurs, similaires aux nombreuses tranches d’un balayage en trois dimensions.
À partir de ces cartes, les chercheurs ont estimé le volume total des deux principales zones ODZ dans le Pacifique tropical, plus précisément que les efforts précédents. La première zone, qui s’étend de la côte de l’Amérique du Sud, mesure environ 600 000 kilomètres cubes, soit à peu près le volume d’eau qui remplirait 240 milliards de piscines olympiques. La deuxième zone, au large des côtes de l’Amérique centrale, est environ trois fois plus grande.
L’atlas sert de référence pour savoir où se trouvent les ODZ aujourd’hui. L’équipe espère que les scientifiques pourront compléter cet atlas avec des mesures continues, pour mieux suivre les changements dans ces zones et prédire comment ils pourraient changer à mesure que le climat se réchauffe.
Le scientifique en chef Andrew Babbin trace le cours d’échantillonnage. Crédit : Mary Lide Parker
« On s’attend généralement à ce que les océans perdent de l’oxygène à mesure que le climat se réchauffe. Mais la situation est plus compliquée sous les tropiques où il y a de grandes zones pauvres en oxygène », explique Jarek Kwiecinski ’21, qui a développé l’atlas avec Andrew Babbin, professeur Cecil et Ida Green Career Development au département Terre, atmosphère et Sciences planétaires. « Il est important de créer une carte détaillée de ces zones afin d’avoir un point de comparaison pour les changements futurs. »
L’étude de l’équipe paraît aujourd’hui (27 décembre 2021) dans la revue Cycles biogéochimiques mondiaux.
Aérer les artefacts
Les zones pauvres en oxygène sont de vastes régions persistantes de l’océan qui se produisent naturellement, en raison des microbes marins engloutissant le phytoplancton en train de couler avec tout l’oxygène disponible dans les environs. Ces zones se trouvent dans des régions où les courants océaniques ne passent pas, qui reconstitueraient normalement les régions en eau oxygénée. En conséquence, les ODZ sont des emplacements d’eaux relativement permanentes et appauvries en oxygène, et peuvent exister à des profondeurs médio-océaniques comprises entre environ 35 et 1 000 mètres sous la surface. Pour une certaine perspective, les océans ont en moyenne une profondeur d’environ 4 000 mètres.
Groupe scientifique de la croisière R/V Falkor FK180624 comprenant les auteurs Jarek Kwiecinski (debout, à gauche) et Andrew Babbin (au centre, en violet) et leur équipe. Crédit : Mary Lide Parker
Au cours des 40 dernières années, des croisières de recherche ont exploré ces régions en laissant tomber des bouteilles à différentes profondeurs et en remontant de l’eau de mer que les scientifiques mesurent ensuite pour l’oxygène.
“Mais il y a beaucoup d’artefacts qui proviennent d’une mesure de bouteille lorsque vous essayez de mesurer vraiment zéro oxygène”, explique Babbin. « Tout le plastique que nous déployons en profondeur est plein d’oxygène qui peut s’infiltrer dans l’échantillon. En fin de compte, cet oxygène artificiel gonfle la vraie valeur de l’océan.
Plutôt que de se fier aux mesures d’échantillons de bouteilles, l’équipe a examiné les données de capteurs fixés à l’extérieur des bouteilles ou intégrés à des plates-formes robotiques qui peuvent modifier leur flottabilité pour mesurer l’eau à différentes profondeurs. Ces capteurs mesurent une variété de signaux, y compris les changements de courants électriques ou l’intensité de la lumière émise par un colorant photosensible pour estimer la quantité d’oxygène dissous dans l’eau. Contrairement aux échantillons d’eau de mer qui représentent une seule profondeur discrète, les capteurs enregistrent les signaux en continu au fur et à mesure qu’ils descendent dans la colonne d’eau.
Les scientifiques ont tenté d’utiliser ces données de capteurs pour estimer la valeur réelle des concentrations d’oxygène dans les ODZ, mais ont trouvé qu’il était incroyablement difficile de convertir ces signaux avec précision, en particulier à des concentrations proches de zéro.
“Nous avons adopté une approche très différente, en utilisant des mesures pour ne pas regarder leur vraie valeur, mais plutôt comment cette valeur change dans la colonne d’eau”, explique Kwiecinski. “De cette façon, nous pouvons identifier les eaux anoxiques, indépendamment de ce que dit un capteur spécifique.”
En bas
L’équipe a estimé que, si les capteurs montraient une valeur d’oxygène constante et immuable dans une section continue et verticale de l’océan, quelle que soit la valeur réelle, alors ce serait probablement un signe que l’oxygène avait atteint le fond et que la section faisait partie d’une zone pauvre en oxygène.
Les chercheurs ont rassemblé près de 15 millions de mesures de capteurs recueillies sur 40 ans par diverses croisières de recherche et flotteurs robotiques, et ont cartographié les régions où l’oxygène ne change pas avec la profondeur.
« Nous pouvons maintenant voir comment la répartition de l’eau anoxique dans le Pacifique change en trois dimensions », explique Babbin.
L’équipe a cartographié les limites, le volume et la forme de deux zones ODZ majeures dans le Pacifique tropical, l’une dans l’hémisphère nord et l’autre dans l’hémisphère sud. Ils ont également pu voir les moindres détails dans chaque zone. Par exemple, les eaux appauvries en oxygène sont «plus épaisses» ou plus concentrées vers le milieu et semblent s’éclaircir vers les bords de chaque zone.
“Nous pouvions également voir des lacunes, où il semble que de grosses bouchées aient été prélevées dans des eaux anoxiques à faible profondeur”, explique Babbin. “Il existe un mécanisme qui amène l’oxygène dans cette région, la rendant oxygénée par rapport à l’eau qui l’entoure.”
De telles observations des zones pauvres en oxygène du Pacifique tropical sont plus détaillées que ce qui a été mesuré à ce jour.
“La façon dont les frontières de ces ODZ sont façonnées et jusqu’où elles s’étendent n’a pas pu être résolue auparavant”, a déclaré Babbin. “Maintenant, nous avons une meilleure idée de la façon dont ces deux zones se comparent en termes d’étendue et de profondeur.”
“Cela vous donne un aperçu de ce qui pourrait se passer”, dit Kwiecinski. “Il y a beaucoup plus à faire avec cette compilation de données pour comprendre comment l’approvisionnement en oxygène de l’océan est contrôlé.”
Référence : « A High-Resolution Atlas of the Eastern Tropical Pacific Oxygen Deficient Zones » par Jarek V. Kwiecinski et Andrew R. Babbin, 27 décembre 2021, Cycles biogéochimiques mondiaux.
DOI : 10.1029/2021GB007001
Cette recherche est soutenue, en partie, par la Fondation Simons.
