Des scientifiques utilisent un câble à fibre optique pour étudier le pergélisol des fonds marins de l'Arctique

L’Arctique est un territoire éloigné, aux conditions souvent difficiles, et son climat change rapidement, se réchauffant quatre fois plus vite que le reste de la Terre. Cela rend l’étude du climat arctique à la fois difficile et vitale pour comprendre le changement climatique mondial.

Les scientifiques des laboratoires nationaux Sandia utilisent un câble à fibre optique existant au large d'Oliktok Point, sur le versant nord de l'Alaska, pour étudier les conditions du fond marin de l'Arctique jusqu'à 20 milles du rivage. Christian Stanciu, responsable du projet, présentera ses dernières découvertes le vendredi 15 décembre lors de la réunion d'automne de l'AGU à San Francisco.

Leur objectif est de déterminer la structure sismique de kilomètres de fonds marins arctiques. Grâce à une technique émergente, ils peuvent repérer les zones du fond marin où le son se propage plus rapidement que sur le reste du fond marin, généralement en raison de la présence de plus de glace. Ils ont identifié plusieurs zones avec beaucoup de glace, a déclaré Stanciu, géophysicien de Sandia.

Les scientifiques ont également utilisé le câble pour déterminer les températures sur toute l’étendue du fond marin et ont surveillé les changements de température au fil des saisons. Ces données, contrairement à toutes celles recueillies auparavant, ont été insérées dans un modèle informatique pour déduire la répartition du pergélisol sous-marin, a déclaré Jennifer Frederick, géoscientifique informatique.

“L'une des innovations de ce projet est que nous pouvons désormais utiliser une seule fibre pour obtenir des données acoustiques et thermiques”, a déclaré Stanciu. “Nous avons développé un nouveau système permettant de collecter à distance les deux types de données à l'aide d'un seul brin de fibre. Nous obtenons des résultats intéressants.”

Pergélisol et lumière rebondissante

Comme les restes de dinde rôtie au fond du congélateur depuis Thanksgiving, le pergélisol arctique est un banquet qui ne demande qu’à être décongelé. Plus précisément, à mesure que la matière autrefois vivante qui a été gelée lors de la dernière période glaciaire dégèle, les microbes commencent à la digérer et à produire des gaz résiduaires tels que du méthane et du dioxyde de carbone, a déclaré Frederick. Les scientifiques étudient l’ampleur du banquet microbien gelé dans l’Arctique et l’ampleur de l’impact que ces gaz pourraient avoir sur le climat mondial.

Pour étudier le pergélisol sur le fond marin de l'Arctique, les chercheurs ont utilisé des impulsions de lumière laser abattues sur un câble sous-marin à fibre optique de télécommunications enfoui au large des côtes de l'Alaska, allant au nord d'Oliktok Point. De minuscules imperfections dans le câble ont fait rebondir la lumière vers un système de capteurs.

En capturant cette lumière à deux longueurs d'onde, ou couleurs, et en les comparant, les chercheurs ont pu déterminer la température du câble à chaque mètre, a déclaré Frederick. C'est ce qu'on appelle la détection distribuée de la température.

En regardant la lumière d'une longueur d'onde différente, les chercheurs ont pu détecter quand le câble avait été tendu par une onde sonore passante. Cette détection acoustique dite distribuée a fourni des informations sur la structure du fond marin jusqu'à des profondeurs allant de un à trois milles, a déclaré Stanciu.

Grâce à cette méthode, les scientifiques pensent avoir identifié le fond du pergélisol marin à environ 400 mètres de profondeur. Ils ont également trouvé une autre zone avec des quantités de glace inhabituellement importantes, ce qui pourrait correspondre à un pingo ou un « bouton de glace », une colline en forme de dôme formée par la glace poussant vers le haut, a-t-il ajouté. L'analyse des données pour les mesures a été effectuée principalement par Brandon Herr, stagiaire chez Sandia.

“Le fait que nous puissions surveiller la température en continu nous permet désormais de détecter les changements d'une année à l'autre et d'une saison à l'autre”, a déclaré Frederick. “Nous recherchons spécifiquement des points chauds inexplicables. Nous pensons pouvoir voir des zones de suintements du fond marin, un peu comme des sources sortant du sol, sauf sur le fond marin. Nous nous intéressons à eux car ce sont des transporteurs. de fluides plus profonds et riches en carbone et sont une indication de réchauffement et de changement.

Histoire et nouveautés

Sandia collecte des données climatiques dans le nord de l'Alaska depuis plus de 25 ans. Le projet de recherche actuel a débuté il y a environ un an et s'appuie sur des travaux antérieurs sur le même câble à fibre optique réalisés par les géophysiciens de Sandia, Rob Abbott et Michael Baker.

Une innovation récente de l'équipe de Stanciu est un système entièrement opérationnel qui permet la collecte de données à distance en temps quasi réel. Cela minimise le temps et le coût du voyage vers Oliktok ainsi que le risque de perte de données lorsque le système est sans surveillance, a déclaré Stanciu. Les données acoustiques et thermiques ne peuvent pas être collectées en même temps, mais l’une ou l’autre peut désormais être collectée en continu.

L'un des défis résolus par l'équipe au cours de la première année du projet consistait à déterminer comment calibrer les données de température provenant du câble à fibre optique, a déclaré Frederick. En règle générale, les systèmes de détection de température distribués sont construits avec des systèmes d'auto-contrôle tels que la fibre qui se replie sur elle-même pour la redondance ou avec des thermomètres intégrés. Cependant, comme l’équipe utilise une fibre noire de télécommunications, elle avait besoin de modèles informatiques pour valider les changements de température saisonniers détectés. L’analyse des données a été réalisée principalement par Ethan Conley, stagiaire chez Sandia.

Frederick utilise les données de la détection distribuée de la température et les résultats de la modélisation de la détection acoustique distribuée pour fournir des contraintes à un code de modélisation géophysique développé par Sandia. Le code modélise les liquides et les gaz circulant dans les sols souterrains. Frederick utilise ce code pour modéliser 100 000 ans d’histoire géologique de la partie étudiée du fond marin de l’Arctique, y compris la température moyenne de la période glaciaire la plus récente et l’élévation du niveau de la mer. Les résultats du modèle sont des cartes de la répartition actuelle du pergélisol sous-marin.

Les limites du système d'interrogateur utilisé par l'équipe, notamment la puissance du laser et la sensibilité des capteurs, empêchent les scientifiques de collecter des données à plus de 18 à 25 milles des côtes, a déclaré Frederick. Grâce aux améliorations apportées au système, elle espère repousser encore plus loin les limites.

“Ce projet comporte de nombreuses pièces différentes”, a déclaré Frederick. “Je regarde la température et Christian regarde l'acoustique pour obtenir un modèle souterrain. En réalité, vous avez besoin de toutes ces pièces pour dire quelque chose sur la situation plus large de la répartition actuelle du pergélisol et si nous observons des changements comme des suintements et comment cela se produit. ” joue un rôle dans le tableau plus large des émissions de gaz à effet de serre. Être capable d'utiliser de nouveaux outils et de les pousser à l'extrême pour voir ce que nous pouvons apprendre est vraiment cool. “