Objectifs

Le but du programme MINERVE (Mesures à l'INterface Eau-aiR de la Variabilité des Echanges de CO2), qui s'appuie sur des campagnes de valorisation de transit, est d'observer et de comprendre les variabilités saisonnières de la pression partielle de CO2 (pCO2) et du Carbone Inorganique Total dans les eaux de surface en association avec les mesures hydrologiques et biogéochimiques in-situ et avec l'aide de données satellitaires (température, couleur de la mer).

Les parcours logistiques de l'Astrolabe, permettent d'accéder à des zones très peu étudiées et de les documenter afin de comprendre les processus qui expliquent les variations spatio-temporelles de pCO2 à moyenne échelle dans les régions océaniques australes. Les données récoltées durant ces campagnes serviront de base pour faire des estimations de la variabilité interannuelle et de la variation moyenne (tendance) du flux net de CO2 à l'interface océan-atmosphère. En identifiant et quantifiant des sources et puits de CO2, les observations recueillies lors des campagnes MINERVE servent également à d'autres équipes pour contraindre des modèles atmosphériques et à valider des modèles biogéochimiques basés sur des modèles de circulation générale océanique qui tentent de simuler le cycle du carbone océanique à moyen et à long terme.

Compilation des séries de mesures de CO2 de surface en cours et qui seront maintenues dans les années à venir
source : IOCCP, octobre 2009

Contexte scientifique

Faisant suite au programme INDIVAT (1985-87), le programme MINERVE a débuté en 1990. Une instrumentation placée à poste sur le Marion-Dufresne et ainsi permis d'effectuer, jusqu'en 1997, plus de 40 campagnes de valorisation de transit, la plupart dans la partie ouest de l'Océan Indien et dans la zone Antarctique où très peu d'observations avaient été faites avant 1990. Certaines de ces campagnes ont été couplées à des campagnes WOCE et JGOFS. L'ensemble de ces mesures ont été analysées et publiées.

L'étude en zones subtropicale et subantarctique qui a été effectuée en collaboration avec l'équipe australienne (B.Tilbrook), a permis de comparer les cycles du CO2 de surface dans ces deux régions: les variabilités saisonnières ont des amplitudes semblables dans les deux régions mais elles sont déphasées d'environ 6 mois (Metzl et al., 1999). Les processus qui contrôlent ces variations sont, en été austral l'intensification de l'activité biologique qui augmente fortement le puits de CO2, tandis qu'en hiver c'est l'augmentation de la profondeur de la couche de mélange qui explique un retour de la concentration de CO2 des eaux de surface vers celle de l'atmosphère.

Plus généralement, dans le contexte actuel où les océans absorbent un tiers du CO2 injecté dans l'atmosphère par les activités humaines, l'océan Austral occupe une place déterminante. Ces eaux froides permettent de dissoudre une quantité importante de CO2. Cette absorption massive a permis de réguler les changements climatiques mais bouleverse maintenant la chimie de l'eau de mer, et entraine une acidification globale des océans. Les modèles réalisées par Feely et al. (2004) ou Orr et al. (2005) permettent de prédire et de quantifier la future acidification de pH des océans, et une réduction de 0,4 unité de pH en 2100 est maintenant généralement reconnu par la communauté scientifique.

Les données hydrologiques acquises lors des campagnes MINERVE de 2002 à 2009 permettent de mettre en évidence la réponse de l'océan Austral à l'injection massive et continue de CO2 dans l'atmosphère. L'amorce d'une chute brutale du pH (0,07 unité de pH au cours des sept dernières années) des eaux Australes est observée. Si cette chute de pH s'avérait constante dans le futur, une réduction dramatique de 0,9 unité de pH serait observée en 2100 et ferait des eaux Australes, les eaux les plus acides de l'océan global.

L'étude et l'analyse chimique ou biologique des eaux Australes nécessitent la prise en compte des phénomènes physiques particuliers à cet océan du sud. La région circumpolaire autour de l'Antarctique entre les latitudes 56°S et 62°S est la seule région océanique non-limitée dans la direction longitudinale. Engendré par le régime quasi-permanent de vents d’ouest, le Courant Circumpolaire Antarctique (A.C.C.) circule de façon giratoire d’ouest en est et présente la particularité d'être le seul courant marin à circulation annulaire à ne jamais rencontrer dans sa trajectoire, l'obstacle d'un continent. De par sa position dans les hautes latitudes du sud, l' A.C.C. est le principal réservoir d'eau froide de la planète. Il constitue une frontière séparant physiquement les caractéristiques biogeochimiques des eaux australes de celle des océans adjacents.

Un ensemble d'études effectuées au laboratoire (Metzl et al., 1995; Jabaud, 1998; Metzl et al., 1998b; Louanchi et al., 1999; Poisson et Metzl, 1999) montre que la distribution de pCO2 en zone australe, au sud du front polaire, doit en fait être régionalisée non seulement en latitude mais également suivant les bassins océaniques. Cette analyse est également soutenue par les données OISO (Jabaud et al., 2000) ainsi que par les données acquises durant les deux campagnes CIVA-1 et CIVA-2 à 30°E (campagnes WOCE mises en oeuvre par le LBCM en février 1993 et mars 1996).

Résultats majeurs

A partir des données acquises durant les campagnes MINERVE de 2002 à 2010, nous avons pu retracer l'évolution annuelle de l'Alcalinité Totale (AT) et du Carbone Total inorganique dissous (CT) au nord (région subantarctique) et au sud de l'A.C.C. Les eaux australes révèlent de fortes variations inter-annuelles de carbone total avec une hausse moyenne de 3,8 µmol/kg/an. Cette augmentation constante de la concentration de carbone total dans ces eaux de surface est concomitante à une hausse vertigineuse de la concentration de CO2 atmosphérique (de 280ppm en 1900 à 388ppm aujourd'hui). Les eaux australes froides, capables de solubiliser une quantité plus importante de CO2, accueillent aussi une activité biologique intense. Il a été montré l'importance de la photosynthèse provoquée par les poussées phytoplanctoniques près du pack et à l'intérieur du pack lors de la fonte de la glace. L'influence de la photosynthèse a été mise encore plus en évidence à l'aide de toutes les données de pCO2 et de chlorophylle collectées pendant les campagnes R0, R2 et R4 pendant l'été austral 2002-2003. Les algues épontiques fixées dans la couche immergée de la banquise participent avec l'activité photosynthétique printanière du phytoplancton, à exporter du carbone dans le fond de l'océan. Enfin, la surface de l'interface d'échange air-mer se trouve limité par la glaciation partielle de l'océan antarctique et en fait un puits majeur de CO2 atmosphérique.

La zone sub-antarctique révèle de faibles variations d'AT (~-1,8 µmol/kg/an) et de CT (~0,3 µmol/kg/an). L'effet couplé d'eaux plus chaudes caractéristiques à cette région qui diminuent la solubilité du CO2 à une activité photosynthétique appauvrit par un ensoleillement réduit permet d'expliquer ces faibles variations. Un bilan décennal saisonnier des flux de CO2 a pu être réalisé à partir des données de 1996/1997 (Brévière et al., 2006) et des résultats de ce travail en 2006/2007 le long du trajet Tasmanie - Terre Adélie. Ce bilan montre clairement l’évolution des flux de CO2 en fonction du temps.

Les résultats acquis soulignent le besoin de poursuivre les mesures à travers les campagnes océanographiques afin d’observer les perturbations anthropiques sur le cycle géochimique du carbone. Jusqu'à présent, pour observer un cycle annuel complet des propriétés du carbone dans cette région de l’océan, nous devions utiliser des moyennes d’anciennes données acquises dans des zones adjacentes. Seules les campagnes annuelles MINERVE dans l'océan austral permettent d’obtenir les bases de données indispensables à la quantification de CO2 anthropique absorbé dans cette région.