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oce_etape3

Les échanges entre l'atmosphère et l'océan évoluent-ils avec les saisons ?

Teneurs en CO2 dans l'atmosphère relevées dans deux stations de l'Atlantique Nord

Température des eaux de surface en janvier et en août dans l'Atlantique Nord

CO2_atlant.gif sst_jan_90_atl.gif
CO2_atlant2.gif sst_aug_90_atl.gif

 

CO2_cart.gifDans l'Atlantique Nord (Ocean Station Charlie, station 1 de la carte ci-contre et St. Davids's Head, station 2)  la teneur en CO2 atmosphérique diminue à partir du printemps et augmente à la fin de l'été pour connaître un maximum en hiver.
Le modèle élaboré précédemment  permet donc de prédire un transfert de CO2 de l'atmosphère vers l'océan en hiver, puisque la température des eaux de surface  est basse (augmentant ainsi la solubilité du CO2) et la teneur en CO2 atmosphérique importante.
Un transfert en sens inverse devrait avoir lieu en été.

Ces prédictions sont elles conformes aux données de terrain ?



 

 




Influence de la production primaire sur le flux de CO2

 

Cartes mondiales des différences de pression partielle en CO2 entre les eaux de surface et l'air : pCO2diff_echel.gif
pCO2diff_jan.gif pCO2diff_aout.gif

 A la station 2, les différences de pression partielle en CO2 entre les eaux de surface et l'air sont négatives en janvier et positives en août : un transfert de CO2 se fait donc de l'atmosphère vers l'océan en hiver et de l'océan vers l'atmosphère en été, conformément aux prédictions du modèle.
Mais contrairement aux prédictions, l'importation de CO2 par l'océan s'accentue en été au sud du Groënland  alors qu'elle devrait diminuer ( d'autres régions présentent le même type d'anomalie : l'océan Arctique, le bassin argentin). La pCO océanique locale baisse davantage que la pCO2 atmosphérique en été, maintenant ainsi le flux de CO2 en direction de l'océan. 
Un autre facteur, non pris en compte par le modèle, doit donc intervenir.
Ce facteur doit pomper le CO2 dissous dans l'eau de mer,  permettant ainsi de maintenir et même d'accroître la différence entre la pCO2 océanique et la pCO2 atmosphérique, son influence s'accroît en été, lorsque la durée du jour et la température sont maximales.

Hypothèse : la photosynthèse consommatrice de CO2, est ce facteur.

(Remarque : l'élaboration progressive du cycle du carbone en milieu marin peut être l'occasion de mettre en place la notion de photosynthèse si celle-ci n'est pas encore connue des élèves, par une approche différente qui est celle de son rôle dans l'écosystème.)

Les images satellitales de la concentration des eaux de surface en chlorophylle a révèlent la répartition du phytoplancton marin et l'évolution de ses populations en cours d'année. La position géographique des stations étudiées précédemment a été reportée sur l'image satellitale d'août 2003.

Seawf_nov03.gif Seawf_jan03.gif
swif_mai.gif swif_aug.gif

 La station 2 appartient à une zone oligotrophe (faible teneur en éléments nutritifs) de l'océan Atlantique ce qui limite le développement du phytoplancton, quelle que soit la saison. Aussi l'évolution de la pCO2 océanique est-elle fortement corrélée à la température, avec un fort dégazage en été conformément aux prédictions du modèle.
Pour la station 1, le réchauffement progressif de la surface, l'augmentation de la durée et de l'intensité de l'éclairement, la teneur élevée en nutriments permet une floraison phytoplanctonique printanière particulièrement intense . Cette floraison s'accompagne d'une diminution importante du stock en carbone inorganique dissous et les eaux de surface, très sous saturées en CO2, deviennent un puits pour l'atmosphère. Ce raisonnement peut être étendu à d'autres régions océaniques et il révèle l'importance de la photosynthèse dans les flux de COentre l'atmosphère et l'océan.

Les images satellitales révèlent par ailleurs qu'une grande partie du phytoplancton disparaît entre la fin du printemps et l'hiver.

Que devient le carbone stocké dans la matière organique de ce phytoplancton?

Les élèves sont invités à étudier les deux documents suivants pour résoudre le problème posé.

Document 1

 

Au site Dyfamed, en Méditerranée, des pièges à particules ont été placés à différentes profondeurs le long d'un mouillage fixé au fond de la mer. Ces pièges sont des entonnoirs d'environ 1m de diamètre qui récoltent les particules qui sédimentent par gravité dans la colonne d'eau (photo ci-contre).A la base du cône se trouve un carrousel de godets récoltant successivement les particules, pendant une durée définie par l'expérimentateur.
On analyse ensuite le contenu des godets.
piege.gif
Le graphique ci-contre affiche les quantités de carbone organique recueilli sous forme de particules, par m2 et par jour, à 200m de profondeur de septembre 1997 à octobre 2000. 
Simultanément la quantité de phytoplancton a été évaluée dans les 200 premiers mètres de la mer en mesurant la quantité de Chlorophylle a dans 12 échantillons recueillis à différentes profondeurs. Les résultats ont été  également reportés sur le même graphique.

dyf_phyt_cop2r.gif

Agrandir l'image

 

Document 2

Le même type de mesure a été fait le 11 mai 1995, à la même station, mais le graphique ci-contre renseigne sur la distribution verticale des deux paramètres étudiés. 
COP = carbone organique particulaire.
dyf-phyt_COP.gif
Analyse des documents:

Document 1 : la variation périodique des populations de phytoplancton s'observe bien ici. La floraison printanière est suivie d'une décroissance de la population. Une deuxième floraison moins importante s'observe au cours de l'été et c'est à la fin de l'automne que la densité du phytoplancton est la plus faible.
Document 2  : la répartition verticale du phytoplancton s'explique par les contraintes liées à sa nutrition (lumière et sels minéraux ).
Document 1 et 2 : le carbone organique particulaire présente lui aussi des variations spatiales et temporelles qui sont par ailleurs très bien corrélées avec celles du phytoplancton.

 Ce carbone organique particulaire a-t-il son origine dans le phytoplancton ? Comment expliquer sa disparition partielle lors de sa migration vers les profondeurs?

Les documents suivants sont alors présentés aux élèves.

Document 3

 La production de matière vivante par les algues microscopiques (phytoplancton) en suspension dans les eaux de surface  consomme du CO2 dissous (qui se renouvelle aux dépens de l'atmosphère). Le carbone ainsi fixé est susceptible d'alimenter plusieurs voies de transformation. Le phytoplancton peut être consommé par des animaux planctoniques (zooplancton), consommés à leur tour par des organismes plus grands et ainsi de suite. 
   - Une part du carbone fixé est alors reminéralisée plus ou moins vite par respiration aux différents échelons de la chaîne alimentaire. Si cette reminéralisation se produit dans les eaux de surface, le CO2 rejeté est remis à disposition des échanges océan-atmosphère.
   - Une part de ce carbone alimente aussi un stock de détritus plus ou moins durables (cadavres par exemple).

Le graphique ci-contre traduit la répartition de deux espèces de zooplancton à la station Dyfamed en mai 1995.
Les copépodes sont de petits crustacés dont les adultes ne mesurent le plus souvent qu'un ou deux millimètres. Ils représentent rarement moins de 60 % et parfois plus de 80 % de la biomasse zooplanctonique. Les copépodes herbivores se nourrissent d’algues unicellulaires de petites tailles qui constituent l’essentiel du phytoplancton. Euphausii est une sorte de petite crevette, de 6 à 7 cm de long pesant 2 g, qui se nourrit en filtrant le phytoplancton. Ces espèces produisent des excréments sous forme de pelotes fécales dont les dimensions varient de quelques centièmes à quelques dixièmes de millimètres. Un individu peut rejeter plusieurs centaines de pelotes par jour. Cet pelotes vont ensuite migrer vers les profondeurs de l'océan.
dyf_zoopl.gif
Document 4

Les bactéries hétérotrophes puisent dans leur milieu nutritif les substrats à partir desquels elles synthétisent leurs propres constituants. Elles réalisent, ainsi la biodégradation d'une grande quantité de déchets organiques. Par fermentation ou respiration elles transforment ainsi du carbone organique en CO2.
Le graphique ci-contre montre l'évolution de la densité de la population bactérienne avec la profondeur en mai 1995 à la station Dyfamed.
dyfbact1.gif
Analyse des documents :

Les populations de bactéries et le zooplancton sont particulièrement concentrés dans la zone où réside le phytoplancton. En broutant ce phytoplancton, le zooplancton produit des pelotes fécales qui constituent avec les cadavres du plancton le carbone organique particulaire,  particulièrement important à ces profondeurs. Mais ce COP est en grande partie recyclé  par les bactéries. Seule, une faible proportion migre vers les profondeurs assurant ainsi un transfert du carbone de l'océan superficiel vers l'océan profond : c'est la pompe biologique.(La vitesse de migration dépend entre autre de la taille des particules).

Documents complémentaires

COP_dyfr.gif Agrandir l'image


dyfbact2.gif DIC_depth3.gif
Les documents élaborés à partir de données recueillies à la station Dyfamed montrent que le flux de COP s'amenuise avec la profondeur par minéralisation due aux bactéries présentes sur toute la colonne d'eau. Corrélativement,  l'eau s'enrichit donc en carbone minéral ce que confirme, à une autre échelle, les deux documents représentant une section longitudinale des océans Pacifique et Atlantique. La teneur de l'eau en CO2 révèle par ailleurs  l'existence des grands courants profonds de l'Atlantique qui, en entraînant les eaux de surface riches en CO2 de l'Atlantique Nord et de l'Antarctique vers les profondeurs, constituent une pompe thermodynamique efficace du CO2 anthropique.

Remarques : sur le premier document des décalages dans le temps apparaissent entre le flux de COP mesuré à 200m de profondeur et celui mesuré à 1000m. Ils peuvent être dus au temps de migration des particules. Si les évènements se propagent instantanément cela suggère un transport vertical de la matière vers les profondeurs, un décalage important peut au contraire être du à un courant ascendant. Le flux à 1000m est parfois plus important qu'à 200m. Ceci est lié à des apport latéraux de POC ou à des problèmes de sous échantillonage des pièges (problème fréquent pour les pièges superficiels).

DIC_depth4.gif

 Il existe donc un flux de carbone de la surface vers les profondeurs. Ce flux décroît progressivement, et une faible fraction de la matière biogène produite en surface finira incorporée (éventuellement pour des millions d'années) dans les sédiments ; c'est ainsi d'ailleurs que s'est lentement constituée une part du stock des combustibles fossiles.

Les élèves prennent en compte l'existence de la pompe biologique pour compléter leur modèle.

Étape suivante : recours au modèle numérique