Le Benthic Rover II de MBARI parcourt le fond boueux, prenant des photographies et mesurant la quantité d’oxygène utilisée par les animaux et les microbes des fonds marins au fil du temps. Les informations recueillies par ce rover autonome ont aidé les scientifiques à comprendre le cycle du carbone de la surface au fond marin. Crédit : © 2016 MBARI
Le rover robotique autonome aide les scientifiques à surveiller à long terme le cycle du carbone en haute mer et le changement climatique.
L’étendue des grands fonds marins et les défis technologiques liés au travail dans un environnement extrême rendent ces profondeurs difficiles d’accès et d’étude. Les scientifiques en savent plus sur la surface de la lune que sur les grands fonds marins. MBARI tire parti des avancées des technologies robotiques pour remédier à cette disparité.
Un rover robotique autonome, Benthic Rover II, a fourni un nouvel aperçu de la vie sur le fond marin abyssal, à 4 000 mètres (13 100 pieds) sous la surface de l’océan. Une étude publiée aujourd’hui dans Robotique scientifique détaille le développement et le fonctionnement éprouvé à long terme de ce rover. Ce laboratoire mobile innovant a en outre révélé le rôle des grands fonds dans le cycle du carbone. Les données collectées par ce rover sont fondamentales pour comprendre les impacts du changement climatique sur l’océan.
« Le succès de ce rover abyssal permet désormais un suivi à long terme du couplage entre la colonne d’eau et le fond marin. Comprendre ces processus connectés est essentiel pour prédire la santé et la productivité de notre planète engloutie dans un climat changeant », a déclaré Ken Smith, scientifique principal de MBARI.
Malgré sa distance par rapport aux bas-fonds éclairés par le soleil, le fond marin profond est connecté aux eaux au-dessus et est vital pour le cycle et la séquestration du carbone. Des morceaux de matière organique, y compris des plantes et des animaux morts, du mucus et des déchets excrétés, s’enfoncent lentement dans la colonne d’eau jusqu’au fond marin. La communauté d’animaux et de microbes sur et dans la boue digère une partie de ce carbone tandis que le reste peut se retrouver enfermé dans les sédiments des grands fonds pendant des milliers d’années.
La mer profonde joue un rôle important dans le cycle du carbone et le climat de la Terre, mais nous en savons encore peu sur les processus qui se déroulent à des milliers de mètres sous la surface. Des obstacles techniques tels qu’une pression extrême et la nature corrosive de l’eau de mer rendent difficile l’envoi d’équipements sur les fonds marins abyssaux pour étudier et surveiller le flux et le reflux du carbone.
Dans le passé, Smith et d’autres scientifiques se sont appuyés sur des instruments fixes pour étudier la consommation de carbone par les communautés des grands fonds marins. Ils ne pouvaient déployer ces instruments que quelques jours à la fois. En s’appuyant sur 25 ans d’innovation en ingénierie, MBARI a développé une solution à long terme pour la surveillance des fonds marins abyssaux.
“Les événements passionnants en haute mer se produisent généralement à la fois brièvement et à des intervalles imprévisibles, c’est pourquoi une surveillance continue avec Benthic Rover II est si cruciale”, a expliqué Alana Sherman, responsable du groupe de génie électrique. “Si vous ne regardez pas tout le temps, vous risquez de manquer l’action principale.”
Benthic Rover II est le résultat du travail acharné d’une équipe collaborative d’ingénieurs et de scientifiques MBARI, dirigée par Smith et Sherman.
Les ingénieurs de MBARI ont conçu le Benthic Rover II pour gérer les conditions froides, corrosives et à haute pression de la mer profonde. Construit à partir de titane résistant à la corrosion, de plastique et de mousse syntactique résistante à la pression, ce rover peut résister à des déploiements jusqu’à 6 000 mètres (environ 19 700 pieds) de profondeur.
« En plus des défis physiques liés au fonctionnement dans ces conditions extrêmes, nous avons également dû concevoir un système de contrôle informatique et un logiciel suffisamment fiables pour fonctionner pendant un an sans plantage – personne n’est là pour appuyer sur un bouton de réinitialisation », a expliqué Paul, ingénieur en électricité de MBARI. McGill. « L’électronique doit également consommer très peu d’énergie pour que nous puissions transporter suffisamment de batteries pour durer un an. Malgré tout ce qu’il fait, le rover ne consomme en moyenne que deux watts, à peu près autant qu’un iPhone.
Benthic Rover II a à peu près la taille d’une petite voiture – 2,6 mètres (8,5 pieds) de long, 1,7 mètre (5,6 pieds) de large et 1,5 mètre (4,9 pieds) de haut – et marche doucement sur le fond boueux sur une paire de larges, chenilles en caoutchouc.
Des chercheurs déploient le Benthic Rover II depuis le navire de MBARI, le R/V Circulaire de l’Ouest. L’équipage du navire abaisse délicatement le rover dans l’eau et le relâche en chute libre au fond de l’océan. Il faut environ deux heures au rover pour atteindre le fond. Une fois qu’il a atterri sur le fond marin, le rover peut commencer sa mission.
Tout d’abord, des capteurs vérifient les courants circulant le long du fond marin. Lorsqu’ils détectent des courants favorables, le rover monte ou traverse le courant pour atteindre un site non perturbé et commencer à collecter des données.
Des caméras à l’avant du rover photographient le fond marin et mesurent la fluorescence. Cette lueur distinctive de la chlorophylle sous la lumière bleue révèle combien de phytoplancton « frais » et d’autres débris végétaux ont atterri sur le fond marin. Des capteurs enregistrent la température et la concentration en oxygène des eaux juste au-dessus du fond.
Ensuite, le rover abaisse une paire de chambres de respiromètre transparentes qui mesurent la consommation d’oxygène de la communauté de vie dans la boue pendant 48 heures. Lorsque les animaux et les microbes digèrent la matière organique, ils utilisent de l’oxygène et libèrent du dioxyde de carbone dans un rapport spécifique. Connaître la quantité d’oxygène utilisée par ces animaux et microbes est crucial pour comprendre la reminéralisation du carbone, c’est-à-dire la décomposition de la matière organique en composants plus simples, dont le dioxyde de carbone.
Après 48 heures, le rover soulève les chambres du respiromètre et se déplace de 10 mètres (32 pieds) vers l’avant, en faisant attention à ne pas croiser son chemin précédent, et sélectionne un autre site à échantillonner. Il répète ce modèle d’échantillonnage encore et encore pendant la durée du déploiement, généralement une année complète.
A la fin de chaque déploiement, le R/V Circulaire de l’Ouest revient pour récupérer le rover, télécharger ses données, échanger sa batterie et le renvoyer dans les grands fonds marins pour une autre année. Au cours de chaque déploiement d’un an, l’équipe MBARI lance un autre robot autonome, le Wave Glider, depuis le rivage pour revenir tous les trimestres pour vérifier les progrès de Benthic Rover II. « Le rover ne peut pas communiquer directement avec nous pour nous dire son emplacement ou son état, alors nous envoyons un robot pour trouver notre robot », a expliqué McGill. Un émetteur acoustique sur le Wave Glider envoie un signal au rover sur le fond marin en dessous. Le rover envoie ensuite des mises à jour d’état et des échantillons de données à la tête du planeur. Le planeur transmet ensuite ces informations aux chercheurs à terre par satellite.
« Les données du Benthic Rover II nous ont aidés à quantifier quand, combien et quelles sources de carbone pourraient être séquestrées ou stockées dans les fonds marins abyssaux », a déclaré Crissy Huffard, spécialiste de recherche principale de MBARI.
Au cours des sept dernières années, Benthic Rover II a été continuellement opérationnel à Gare M, un site de recherche MBARI situé à 225 kilomètres (140 miles) au large des côtes de la Californie centrale. La station M se trouve à 4 000 mètres (13 100 pieds) sous la surface de l’océan, à la profondeur moyenne de l’océan, ce qui en fait un bon système modèle pour l’étude des écosystèmes abyssaux.
Au cours des 32 dernières années, Smith et son équipe ont construit un observatoire sous-marin unique à la Station M. Benthic Rover II et une série d’autres instruments y fonctionnent 24 heures sur 24, sept jours sur sept, pendant une année complète sans entretien.
« Les performances fiables du rover sur sept ans, passant 99 % de sa vie sur le fond marin, sont le résultat de nombreuses années de tests, de dépannage et de développement des meilleures techniques pour entretenir le véhicule », a déclaré Sherman. « C’est un excellent exemple de ce qui est possible lors de l’application de la technologie à des problèmes scientifiques complexes. »
Les données recueillies à la Station M montrent que la mer profonde est loin d’être statique. Les conditions physiques, chimiques et biologiques peuvent changer considérablement sur des échelles de temps allant de quelques heures à plusieurs décennies.
Les eaux de surface du courant de Californie au-dessus de la station M regorgent de phytoplancton au printemps et en été. Ces impulsions saisonnières de productivité en cascade de la colonne d’eau au fond marin. Une grande partie de cette matière organique en train de couler – connue sous le nom de « neige marine » – provenait du dioxyde de carbone dans l’atmosphère.
Au cours de la dernière décennie, les chercheurs de MBARI ont observé une augmentation spectaculaire des grandes impulsions de neige marine tombant sur le fond marin à la station M. Ces événements épisodiques représentent une fraction croissante de l’approvisionnement alimentaire annuel sur ce site. En sept ans d’exploitation à la station M, Benthic Rover II a enregistré d’importants événements hebdomadaires, saisonniers, annuels et épisodiques, fournissant tous des données qui aident les chercheurs de MBARI à comprendre le cycle du carbone en haute mer.
Entre novembre 2015 et novembre 2020, Benthic Rover II a enregistré une augmentation substantielle des pluies de phytoplancton mort et d’autres débris riches en plantes (phytodétritus) atterrissant sur le fond marin abyssal à partir des eaux au-dessus. Une diminution de la concentration d’oxygène dissous dans les eaux juste au-dessus des fonds marins a accompagné cette manne de matière organique.
Les outils traditionnels de surveillance à court terme n’auraient pas détecté les fluctuations qui entraînent des changements et des tendances à long terme. Benthic Rover II a révélé une image plus complète de la façon dont le carbone se déplace de la surface au fond marin.
« Le Benthic Rover II nous a alertés sur d’importants changements à court et à long terme dans les grands fonds qui ne sont pas pris en compte dans les modèles mondiaux », a souligné Huffard.
Le succès du Benthic Rover II et des travaux en cours de MBARI à la Station M mettent en évidence comment les plates-formes persistantes et les observations à long terme peuvent approfondir notre compréhension du plus grand espace vital de la Terre. Avec de plus en plus d’entreprises cherchant à extraire des ressources minérales des grands fonds marins, ces données donnent également des informations précieuses sur les conditions de base dans les zones envisagées pour le développement industriel ou l’exploitation minière en haute mer.
L’océan est également un élément crucial du cycle du carbone et du climat de la Terre. L’océan et ses communautés biologiques sont un puits de dioxyde de carbone. Brûler des combustibles fossiles, élever du bétail et défricher les forêts libèrent des milliards de tonnes de dioxyde de carbone dans notre atmosphère chaque année. L’océan nous a protégé des pires impacts en absorbant plus de 25 pour cent de cet excès de dioxyde de carbone. Face à un climat changeant, comprendre comment le carbone circule entre la surface ensoleillée de l’océan et ses profondeurs sombres est plus important que jamais.
Référence : « Abyssal Benthic Rover : monitoring autonome à long terme des processus océaniques profonds » 3 novembre 2021, Robotique scientifique.
DOI : 10.1126/scirobotics.abl4925
À propos de MBARI
MBARI (Monterey Bay Aquarium Research Institute) est un centre de recherche océanographique privé à but non lucratif, fondé par David Packard en 1987 et axé sur le développement de technologies innovantes pour l’exploration et la compréhension de l’océan. La mission de MBARI est de faire progresser la science et la technologie marines pour comprendre un océan en évolution.
