Des chercheurs s’attaquent au paradoxe océanique avec 55 gallons de colorant fluorescent

Pour la première fois, des chercheurs de la Scripps Institution of Oceanography de l’UC San Diego ont dirigé une équipe internationale qui a mesuré directement les remontées d’eau froide et profonde via un mélange turbulent le long de la pente d’un canyon sous-marin dans l’océan Atlantique.

Le rythme de remontée observé par les chercheurs était plus de 10 000 fois supérieur au taux moyen mondial prédit par le regretté océanographe Walter Munk dans les années 1960.

Les résultats apparaissent dans une nouvelle étude dirigée par Bethan Wynne-Cattanach, boursière postdoctorale Scripps et publiée dans la revue Nature.

Les résultats commencent à élucider un mystère épineux de l’océanographie et pourraient éventuellement contribuer à améliorer la capacité de l’humanité à prévoir le changement climatique. La recherche a été financée par des subventions du Natural Environment Research Council et de la National Science Foundation.

Le monde tel que nous le connaissons nécessite une circulation océanique à grande échelle, souvent appelée circulation par tapis roulant, dans laquelle l’eau de mer devient froide et dense près des pôles, s’enfonce dans les profondeurs et finit par remonter à la surface où elle se réchauffe, commençant ainsi le cycle. encore. Ces schémas généraux maintiennent un renouvellement de chaleur, de nutriments et de carbone qui sous-tend le climat mondial, les écosystèmes marins et la capacité des océans à atténuer le changement climatique provoqué par l’homme.

Malgré l’importance de la bande transporteuse, une composante connue sous le nom de circulation méridionale de retournement (MOC) s’est avérée difficile à observer. En particulier, le retour de l’eau froide des profondeurs océaniques vers la surface par remontée d’eau a été théorisé et déduit mais jamais mesuré directement.

En 1966, Munk a calculé un rythme moyen mondial de remontée d’eau en utilisant la vitesse à laquelle des eaux froides et profondes se sont formées près de l’Antarctique. Il a estimé la vitesse de remontée d’eau à un centimètre par jour. Le volume d’eau transporté par ce taux de remontée d’eau serait énorme, a déclaré Matthew Alford, professeur d’océanographie physique à Scripps et auteur principal de l’étude, “mais réparti sur l’ensemble de l’océan mondial, ce flux est trop lent pour être mesuré directement. “

Munk a proposé que cette remontée d’eau se produise via un mélange turbulent provoqué par la rupture des vagues internes sous la surface de l’océan. Il y a environ 25 ans, les mesures ont commencé à révéler que les turbulences sous-marines étaient plus élevées près du fond marin, mais cela a présenté un paradoxe aux océanographes, a déclaré Alford.

Si la turbulence est la plus forte près du fond, là où l’eau est la plus froide, alors une parcelle d’eau donnée connaîtra un mélange plus fort en dessous, là où l’eau est plus froide. Cela aurait pour effet de rendre les eaux de fond encore plus froides et plus denses, poussant l’eau vers le bas au lieu de la soulever vers la surface.

Cette prédiction théorique, confirmée depuis par des mesures, semble contredire le fait observé selon lequel les profondeurs de l’océan ne se sont pas simplement remplies de l’eau froide et dense formée aux pôles.

En 2016, des chercheurs, dont Raffaele Ferrari, océanographe au Massachusetts Institute of Technology et co-auteur de la présente étude, ont proposé une nouvelle théorie susceptible de résoudre ce paradoxe. L’idée était que les pentes abruptes du fond marin, dans des endroits comme les parois des canyons sous-marins, pourraient produire le type de turbulence approprié pour provoquer une remontée d’eau.

Wynne-Cattanach, Alford et leurs collaborateurs ont cherché s’ils pouvaient observer directement ce phénomène en menant une expérience en mer à l’aide d’un baril d’un colorant vert fluorescent non toxique appelé fluorescéine. À partir de 2021, les chercheurs ont visité un canyon sous-marin d’environ 2 000 mètres de profondeur dans le creux de Rockall, à environ 370 kilomètres (230 miles) au nord-ouest de l’Irlande.

“Nous avons sélectionné ce canyon parmi les quelque 9 500 que nous connaissons dans les océans, car cet endroit est assez banal parmi les canyons des grands fonds”, a déclaré Alford. “L’idée était que ce soit aussi typique que possible pour rendre nos résultats plus généralisables.”

Flottant au-dessus du canyon sous-marin à bord d’un navire de recherche, l’équipe a abaissé un fût de fluorescéine de 55 gallons (208 litres) à 10 mètres (32,8 pieds) au-dessus du fond marin, puis a déclenché à distance la libération du colorant.

Ensuite, l’équipe a suivi le colorant pendant deux jours et demi jusqu’à ce qu’il se dissipe à l’aide de plusieurs instruments adaptés en interne chez Scripps pour les exigences de l’expérience. Les chercheurs ont pu suivre le mouvement du colorant à haute résolution en déplaçant lentement le navire de haut en bas de la pente du canyon.

Les mesures clés proviennent d’appareils appelés fluoromètres, capables de détecter la présence de quantités infimes de colorant fluorescent (jusqu’à moins d’une partie par milliard), mais d’autres instruments ont également mesuré les changements de température et de turbulence de l’eau.

Le suivi des mouvements du colorant a révélé une remontée d’eau provoquée par des turbulences le long de la pente du canyon, confirmant pour la première fois la résolution du paradoxe proposée par Ferrari avec des observations directes. Non seulement l’équipe a mesuré la remontée d’eau le long de la pente du canyon, mais elle a également été beaucoup plus rapide que ne le prédisaient les calculs de Munk de 1966.

Là où Munk a déduit une moyenne mondiale d’un centimètre par jour, les mesures effectuées à Rockall Trough ont révélé une remontée d’eau de 100 mètres par jour. De plus, l’équipe a observé une certaine migration du colorant depuis la pente du canyon vers l’intérieur, ce qui suggère que la physique de la remontée d’eau turbulente était plus complexe que ce que Ferrari avait initialement théorisé.

“Nous avons observé des remontées d’eau qui n’avaient jamais été mesurées directement auparavant”, a déclaré Wynne-Cattanach. “Le taux de cette remontée d’eau est également très rapide, ce qui, associé aux mesures de descente ailleurs dans les océans, suggère qu’il existe des points chauds de remontée d’eau.”

Alford a qualifié les résultats de l’étude de “appel aux armes pour la communauté de l’océanographie physique afin de mieux comprendre les turbulences océaniques”.

Wynne-Cattanach a déclaré que c’était un immense honneur pour elle, en tant qu’étudiante diplômée, de diriger un projet qui représente l’aboutissement de décennies de travail de scientifiques du domaine avec des chercheurs aussi éminents que collaborateurs. Sur la base des résultats préliminaires de l’équipe, Wynne-Cattanach est devenue le premier étudiant à être invité à prendre la parole lors de la prestigieuse Gordon Research Conference on Ocean Mixing en 2022.

L’étape suivante consistera à vérifier si un phénomène similaire se produit dans d’autres canyons sous-marins du monde. Étant donné les caractéristiques peu remarquables du canyon, Alford estime qu’il semble raisonnable de s’attendre à ce que le phénomène soit relativement courant.

Si les résultats s’avèrent valables ailleurs, Alford a déclaré que les simulations du climat mondial devront commencer à prendre explicitement en compte ce type d’upwelling provoqué par les turbulences au niveau des caractéristiques topographiques du fond océanique. “Ce travail est la première étape pour ajouter la physique océanique manquante à nos modèles climatiques, ce qui améliorera à terme la capacité de ces modèles à prédire le changement climatique”, a-t-il déclaré.

Selon Alford, la voie à suivre pour améliorer la compréhension scientifique de la turbulence océanique est double.

Premièrement, « nous devons réaliser davantage d’expériences de haute technologie et à haute résolution comme celle-ci dans des zones clés de l’océan pour mieux comprendre les processus physiques ». Deuxièmement, a-t-il déclaré, “nous devons mesurer les turbulences dans autant d’endroits différents que possible avec des instruments autonomes comme les flotteurs Argo”.

Les chercheurs sont déjà en train de mener une expérience similaire de libération de colorant juste au large du campus Scripps, dans le canyon sous-marin de La Jolla.