Contexte scientifique

L'observation et la compréhension des variations saisonnière, inter-annuelle et décennale du cycle du carbone océanique sont primordiales pour estimer les bilans de carbone à l'échelle planétaire (e.g. cadre protocole de Kyoto) et paramétrer puis valider les modèles climatiques prédictifs (e.g. scénario IPCC). Jusque dans les années 80, très peu de mesures répétitives de carbone inorganique et de la pression partielle pCO2 existaient pour le compartiment océan. Dans les années 90, les expériences WOCE et JGOFS ont permis d'accroître considérablement ces observations. Les résultats de ces expériences associées à d'autres mesures sur le terrain ont, en particulier, permis d'établir une première climatologie mondiale des flux air-mer de CO2 (Takahashi et al., 2002) permettant notamment de contraindre les méthodes d'inversions atmosphériques (e.g. Bousquet et al., 2000). Elles ont aussi montré que la variabilité des flux air-mer de CO2 pouvait être importante notamment dans le secteur du Pacifique Equatorial en liaison avec ENSO (Feely et al., 2002) ou plus récemment dans les hautes latitudes sud Metzl, 2004 ; 2005a,b; 2006). Elles ont enfin permis de dresser pour la première fois un inventaire de carbone anthropique dans l'océan mondial (Sabine et al., 2004) avec, il faut le noter, de grandes incertitudes dans l'Océan Austral (Lo Monaco et al., 2005a,b).

Fort de cet élan initié durant les années 90, la communauté internationale a décidé de renforcer ce type d'observations, tant sur les séries de surface que sur la colonne d'eau. Ces séries d'observations révèlent des informations déterminantes sur l'état du système biogéochimique dans l'océan, sa variabilité et son évolution, permettant d'aborder des questions centrales pour une meilleur connaissance du couple climat/carbone dans un contexte de changement climatique: évolution du puits océanique de C02, sequestration du CO2 anthropique en profondeur, impacts anthropiques et rétroactions (acidification, réchauffement, stratification, changements d'écosystèmes).

Objectifs du S.O. OISO

Le Service d'Observation OISO met en place un réseau couplé de mesures océaniques et atmosphériques à long terme afin de mieux identifier et quantifier les variations des sources et puits de CO2 océaniques, de comprendre comment les échanges air-mer de CO2 varient d'une saison à l'autre ou d'une année à l'autre, d'estimer l'évolution de ces échanges en réponse à des changements climatiques et de quantifier l'accumulation de carbone anthropique dans l'océan et son évolution. Outre l'étude détaillée du cycle du CO2 océanique dans la zone sud-ouest indienne et australe, les données recueillies lors des campagnes OISO sont utilisables pour contraindre et valider les modèles océaniques, les modèles couplés, et les modèles atmosphériques inverses et sont assimilables dans les approches prédictives.

La reconnaissance des processus responsables des variations du cycle du CO2 océanique nécessite un suivi pluriannuel et pluridécennal de la même région. Le S.O. OISO prévoit deux campagnes par an, une en été austral, l'autre en hiver austral, comprenant des mesures de surface en continu et des prélèvements en stations (propriétés mesurées). Pour des raisons logistiques le choix d'un suivi à long terme est fixé sur les zones océaniques couvertes par les trajets des rotations du Marion-Dufresne (IPEV/TAAF) dans l'Océan Indien Sud.

En complément des trajets logistiques inter-îles (La Réunion - Crozet - Kerguelen - Amsterdam), les observations OISO sont étendues vers le Sud pour le suivi saisonnier et interannuel en zone australe et pour revisiter les sites GEOSECS (1978), INDIGO (1985-1987)et KERFIX (1990-1995). Une attention particulière est portée sur la zone australe, très peu documentée et qui est loin d'être correctement représentée par les modèles globaux du cycle de carbone océanique, y compris les aspects dynamiques pour lesquels OISO fournit des informations intéressantes, par exemple sur la variabilité de la couche de mélange océanique.

Résultats majeurs

Une partie des travaux listés plus bas ont fait l'objet de communiqués de presse publiés par le CNRS :
- L'océan moins efficace pour absorber le CO2 émis par les activités humaines. Comm. Presse, CNRS, INSU, 13/2/09.
- Le trou d'ozone réduit l'absorption du CO2 atmosphérique dans l'océan Austral, Comm. Presse, CNRS, INSU, 22/6/09.
- Toujours plus de CO2 dans l'atmosphère en 2008. Comm. Presse INSU/CNRS, CEA, UVSQ, 18/11/2009.
- Les microalgues calcaires, témoins de l'acidification des océans. Communiqué presse CNRS, Aout 2011.

Liste chronologique :

* Première campagne (OISO-1 Janvier-Février 1998) de mesures in-situ sur le système du CO2 couplées à des observations satellitales de couleur de la mer (SeaWIFS lancé en Septembre 1997, Metzl, 2000).

* Premières campagnes en hiver austral dans le secteur Sud Indien et Austral avec stations hydrologiques et mesures biogéochimiques: identification de couche de mélange profondes (> 500m en zone subantarctique) dans le secteur de formation des eaux de mode subantarctique (Metzl et al. 1999).

* Première estimation directe de la variabilité saisonnière des flux de CO2 à l'interface air-mer en zone australe (Metzl et al., 2004, 2006 " DSRI highly cited paper"): les sources de CO2 observées en hiver conduisent à réviser les précédentes estimations, notamment celles déduites des observations (climatologie, Takahashi et al, 2002) et des modèles océaniques. Ce résultat a été selectionné dans le rapport annuel IGBP (Juin 2004) parmi 3 résultats majeurs de l'année 2003-2004.

* Première identification de variabilité la interannuelle des flux air-mer de CO2 à l'échelle régionale dans l'océan austral: implications sur les changements des sources et puits de CO2 océaniques dans un contexte de réchauffement climatique (Jabaud-Jan et al., 2004).

* Les données OISO récoltées en Janvier 2005, campagne couplée au programme KEOPS, ont permis d'évaluer l'intensité du puits de CO2 dans le bloom fertilisé au Sud de Kerguelen (Blain et al., Nature, 2007, communiqué de presse CNRS).

* Identification d'un accroissement de la pression partielle de CO2 océanique (pCO2) à toutes les latitudes (zone subtropicale, subantarctique et australe de l'océan Indien Sud). Cette augmentation, encore peu évaluée dans l'océan, est proche de celle observée dans l'atmosphère mais semble s'être accélérée depuis une décennie (Metzl, DSR, 2009, communiqué de presse CNRS).

* Les données OISO ont permis de qualifier les modèles océaniques et couplés climat/carbone pour évaluer les processus responsables de la réduction récente du puits de CO2 dans l'océan austral (Le Quéré et al., Science, 2007, communiqué de presse international; Lenton et al., GRL, 2009; Le Quéré et al., Nature GeoScience, 2009).

* Les données OISO sont régulièrement intégrées dans des travaux de synthèse pour établir les climatologies de CO2 et des flux air-mer associées (Takahashi et al., DSR, 2002, "highly cited paper"; Takahashi et al., DSR, 2009, "highly cited paper") ainsi que dans l'évaluation des bilans de carbone planétaire (e.g. Global Carbon Project, Le Quéré et al, Nature G., 2009, résultats qui ont été régulièrement présentées aux conférences internationales, communiqué de presse CNRS).

* Les analyses basées sur les données OISO ont été utilisées pour les rapports de synthèse internationaux (e.g. SCAR, ACCE) et européens (Carbo-Europe et Carboocean Assesment report).

* Lors de la campagne OISO-4 (2000) des échantillons ont été récoltés pour l'analyse d'espèces marines parmis lesquelles deux nouvelles ont été découvertes, Globoconella inflata Type II et Globigerina bulloides Type IIf dans les eaux de surface subpolaires et polaires antarctiques (Morard, 2010).

* Lors de la campagne OISO-11 (2004) des échantillons ont été récoltés pour l'analyse d'espèces marines, (coccolythophorides couplés aux mesures des concentrations de carbonates). Associées à d'autres observations ces données ont permis de mieux connaitre l'impact de l'acidification des océans sur les organismes marins (Beaufort et al, Nature, 2011 et communiqué de presse CNRS).

* Les plus récentes observations (Janvier 2011), accompagnées des données historiques, ont permis d'évaluer depuis 1991, les variations decennales des flux air-mer de CO2 dans la zone sub-antarctique au Nord de Kerguelen (Lourantou et Metzl, 2011, GRL).

* L'ensemble des données OISO de CO2 de surface intégrées dans la base internationale SOCAT (Surface Ocean CO2 ATlas, www.socat.info) seront utilisées pour l'évaluation des flux de CO2 air-mer à l'échelle globale et valider les modèles couplés climat/carbone (cadre GIEC/IPCC).

* L'analyse des données OISO avec les données historiques a permis de détecter l'accroissement du CO2 dans les eaux de mode et intermédiaires et d'identifier qu'une partie de cet accroissement était directement associé au carbone d'origine anthropique, tandis qu'une autre était liée à des variations naturelles ou induites par le changement climatique (Lo Monaco et al. 2011).

* Les données CO2 de OISO récoltées sur la colonne d'eau sont intégrées dans la base internationale CARINA/GLODAPII et sont utilisées pour évaluer les inventaires de carbone anthropique dans l'océan et valider les modèles couplés climat/carbone (cadre GIEC/IPCC).