Les minuscules organismes d’apparence végétale appelés phytoplancton, qui forment la base des réseaux trophiques marins couronnés par les orques, les baleines et les requins, sont généralement mangés ou coulent lentement vers le fond marin, emportant du carbone avec eux.
Dans la majeure partie de l’océan, la descente depuis les couches superficielles éclairées par le soleil prend des semaines. Mais dans la mer des Tchouktches, dans l’Arctique, des scientifiques ont constaté qu’une convergence de courants pousse le phytoplancton de sous la glace jusqu’au fond marin à une vitesse quatre fois supérieure à la normale.
Deux nouvelles études dirigées par des chercheurs du laboratoire de l’océanographe biologiste de Stanford Kevin Arrigo détaillent cette descente inhabituelle et révèlent que les efflorescences de phytoplancton, qui utilisent l’énergie du soleil pour se développer, peuvent être 10 fois plus denses dans les eaux plus sombres sous une épaisse glace de mer qu’en pleine eau.
Des mesures recueillies dans la mer des Tchouktches à l’été 2023 suggèrent que la lumière du soleil filtrant par les fissures de la glace suffisait à alimenter la photosynthèse. « Nous observons le phytoplancton en populations immenses sous une importante couche de glace de mer », a déclaré l’étudiante au doctorat en sciences du système terrestre Claudette Proctor, première autrice de l’une des études publiée le 23 septembre dans le Journal of Geophysical Research: Oceans. « Il se développe dans un environnement que nous jugions auparavant inhospitalier. »
Des microalgues qui vivent sous la glace
Lors d’une mission en 2011, Arrigo et ses collaborateurs ont découvert que le phytoplancton fleurissait sous la glace arctique, laquelle s’est amincie et fissurée au cours des dernières décennies à mesure que les températures de l’air et de la surface de la mer augmentaient, laissant passer davantage de lumière.
Arrigo et son équipe sont retournés dans la mer des Tchouktches en 2023 pour étudier la densité des efflorescences de phytoplancton et ce qui leur arrive lorsqu’elles meurent. Si d’autres missions de recherche ont échantillonné le phytoplancton, peu de travaux ont échantillonné ces minuscules organismes sous la glace, et encore moins les ont documentés sur presque toute leur saison de croissance.
« Nous avons pu voir l’efflorescence apparaître, culminer, puis commencer à décliner », a déclaré Arrigo, auteur senior des deux études et professeur Donald and Donald M. Steel à la Stanford Doerr School of Sustainability. « On n’a presque jamais l’occasion de faire cela. »
Pour étudier les efflorescences, l’équipe a prélevé des échantillons d’eau de mer afin de mesurer les nutriments et deux indicateurs de la densité du phytoplancton : le carbone et la chlorophylle. Elle a aussi placé des pièges à sédiments flottants dans l’eau de mer, tant en pleine eau que dans des trous au sein de la glace, pour capturer le phytoplancton en train de couler.
Sous la glace, les chercheurs ont observé l’une des efflorescences de phytoplancton les plus denses jamais enregistrées, même dans des zones où la glace atteignait jusqu’à 2 mètres d’épaisseur. Ces efflorescences sous-glaciaires étaient jusqu’à 10 fois plus concentrées que celles échantillonnées un mois plus tard en pleine eau, après que la glace eut commencé à reculer sous l’effet de la fonte saisonnière. Les données montrent que les efflorescences se sont épuisées et ont commencé à couler à mesure qu’elles consommaient la plupart des nutriments, en particulier le nitrate.
Sur plusieurs jours, les chercheurs ont estimé quelle quantité de phytoplancton, en poids, coulait sous la glace et en pleine eau, et à quelle vitesse. Ils ont également comparé ces résultats à la chlorophylle et au carbone présents dans des échantillons de sédiments remontés du fond marin afin de comprendre le lien entre le phytoplancton qui coule et les restes organiques situés en dessous.
Dans une grande partie de la mer, les scientifiques ont constaté que le phytoplancton coulait, après le pic de son efflorescence, à un rythme d’environ un demi-mètre par jour. Mais à d’autres endroits, des eaux rapides entraînaient le plancton vers le bas environ quatre fois plus vite en moyenne, en raison d’une confluence de courants océaniques appelée front.
Selon les auteurs, lorsque le plancton présent dans l’eau froide juste sous la glace dérivait vers le sud avec le courant, il rencontrait en pleine eau des courants opposés plus chauds. La collision des courants les précipitait vers le bas.
« Cette masse d’eau froide et salée plonge, et la masse d’eau plus chaude et plus douce remonte par-dessus », a déclaré l’étudiant au doctorat en sciences du système terrestre James Lauer, premier auteur d’une seconde étude, également publiée dans le Journal of Geophysical Research: Oceans, consacrée à l’effet des courants sur les efflorescences.
Les écosystèmes arctiques face au changement climatique
Les nouveaux détails du cycle de vie du phytoplancton arctique aident à répondre à des questions sur les écosystèmes marins. Dans des travaux antérieurs, des scientifiques ont observé des zones du fond marin arctique présentant des populations étonnamment élevées de palourdes et d’ophiures, ainsi que les morses et les baleines qui s’en nourrissent. « La découverte que ce front accroît rapidement les taux de sédimentation aide à expliquer d’où pourraient provenir les sources de nourriture qui soutiennent cette biomasse benthique », a déclaré Lauer.
On ignore comment les efflorescences sous-glaciaires peuvent affecter la vie marine plus près de la surface. Ces efflorescences constituent une source de nourriture majeure pour les minuscules animaux dérivants appelés zooplancton et pour des espèces comme la baleine boréale qui s’en nourrissent, mais les efflorescences qui culminent trop tôt en été peuvent avoir disparu au moment où les prédateurs saisonniers arrivent. À mesure que l’Arctique se réchauffe, « les organismes se nourrissant au fond pourraient devenir plus prospères, tandis que les organismes pélagiques pourraient disposer de moins de nourriture », a déclaré Proctor.
Les chercheurs se sont aussi demandé comment le rythme rapide du réchauffement dans l’Arctique – quatre fois la moyenne mondiale – affectera la vitesse à laquelle le phytoplancton capte le carbone de l’atmosphère en se développant, ainsi que le devenir de ce carbone. « Où va tout ce carbone ? » a déclaré Arrigo. « Est-il mangé ? Coule-t-il vers le fond ? »
Les résultats suggèrent une augmentation globale du carbone absorbé par le phytoplancton et finalement stocké dans les sédiments, a déclaré Arrigo. Mais de nombreuses inconnues subsistent concernant la région. Par exemple, l’eau douce plus chaude issue de la fonte des glaces pourrait former une couche à la surface de la mer, empêchant les eaux riches en nutriments situées en dessous de se mélanger et de nourrir le plancton, limitant ainsi sa croissance.
Les résultats montrent comment des phénomènes relativement à petite échelle, comme les efflorescences de phytoplancton et les fronts, peuvent façonner l’écologie et le climat à l’échelle mondiale. Les fronts créés par les vents, les apports fluviaux ou les courants se retrouvent dans tous les océans et pourraient jouer un rôle important dans le transport du carbone vers le fond marin. « Nous devons vraiment prendre en compte cette physique à relativement petite échelle lorsque nous réfléchissons au cycle du carbone à l’échelle de l’océan mondial », a déclaré Lauer.
Arrigo est également chercheur senior au Stanford Woods Institute for the Environment et membre de Stanford Bio-X.
Parmi les autres coauteurs de Stanford figurent Lexi Arlen, Gert van Dijken, Ethan Li, Stephanie Lim, Matthew Mills, Ali Palm et Manu Prakash. Arlen est doctorante en sciences du système terrestre, où Lim est chercheuse postdoctorale, et Palm est étudiante en master dans le programme Earth Systems, tous au sein de la Stanford Doerr School of Sustainability. Mills est scientifique en recherche et développement, et van Dijken est associé de recherche et d’ingénierie, tous deux à la Doerr School of Sustainability. Li est doctorant en bioingénierie. Prakash est professeur associé de bioingénierie à la School of Engineering et professeur associé, à titre gracieux, d’océans à la Doerr School of Sustainability. Il est également chercheur senior au Stanford Woods Institute for the Environment et membre de Stanford Bio-X, de la Wu Tsai Human Performance Alliance, du Maternal & Child Health Research Institute et du Wu Tsai Neurosciences Institute.
L’équipe comprenait également des chercheurs de l’University of Colorado Boulder, de la Woods Hole Oceanographic Institution, de la National Oceanic and Atmospheric Administration, de l’University of Washington et de Fisheries and Oceans Canada. La recherche a bénéficié d’un financement de la National Science Foundation et de la National Oceanic and Atmospheric Administration.
Article : Sediment Trap Deployments Demonstrate Enhanced Export Driven by Frontal Dynamics in the Chukchi Sea – Journal : Journal of Geophysical Research Oceans – DOI : Lien vers l’étude
