Projet de recherche EV/07 (Action de recherche EV)
Cette proposition de recherche vise la vérification de l’importance de l’océan austral pour la sédimentation du carbone à la lumière des changements de climat futurs. La proposition est déposée par BELCANTO (BELgian research on Carbon uptake in the ANTarctic Ocean), un réseau de recherche au sein duquel collaborent des écologistes marins, des chimistes, des géochimistes et des physiciens experts dans le domaine de la modélisation écologiste. Les objectifs incluent la validation des proxies géochimiques et des méthodes numériques, afin de pouvoir mieux évaluer le fonctionnement de la pompe à carbone biologique de l’océan austral actuel, ainsi que de prévoir des scénarios tenant compte de la concentration en augmentation constante du CO2 atmosphérique. La stratégie de recherche se base sur l’élargissement des banques de données existantes et historiques, sur l’étude des processus sous conditions contrôlées en laboratoire et sur l’analyse numérique. Elle vise l’élargissement de nos connaissances en ce qui concerne les mécanismes responsables de la croissance, de la sédimentation et de la biodégradation des groupes de phytoplancton les plus importants (diatomées et Phaeocystis) dans l’océan austral.
Les banques de données existantes concernant le pCO2 seront élargies via un travail sur terrain planifié, alors que les patrons de distribution des flux de pCO2 et de CO2 seront rassemblés sur la base d’observations satellitaires du Chl a et de la température de surface ainsi que de la corrélation entre pCO2, température et Chl a.
L’étude des processus biologiques et la validation des proxies sera effectuée en laboratoire sous conditions contrôlées, sur des cultures des espèces importantes et caractéristiques du phytoplancton (Fragilariopsis, Chaetoceros, Phaeocystis) et sur des bactéries de l’eau à la fois pauvre en fer (concentrations subnanomolaire) et froide (1 à 4ºC) de l’océan austral. Plus spécifiquement, l’influence de la lumière et de différents nutriments (Fe/NO3/NH4/Si) sur la croissance et la rapidité de sédimentation du phytoplancton sera vérifiée, de même que l’influence du fer sur la dégradation bactérienne de détritus de phytoplancton. La production exportée et la minéralisation seront déterminées via l’étude de proxies tels que Ba-barite, F-ratio et signature delta15N, delta30Si. L’évaluation des facteurs majeurs influençant le signal proxy sera d’une part effectuée via des études in-vitro de (i) l’absorption du Ba et de la synthèse du barite et (ii) de la dépendance F-ratio, du fractionnement isotope de l’azote et du silicium de l’offre en nutriments, du groupe de phytoplancton et de la température. D’autre part ceci sera complété par du travail sur terrain pour la détermination des proxies dans le matériau en suspension ainsi que dans le matériau échantillonné en retombées sédimentaires et sédiments. Finalement, des algorithmes seront élaborés pour la relation entre les différents proxies et la production exportée et/ou la minéralisation.
L’analyse numérique vise la remise à jour du modèle biogéochimique existant, SWAMCO, qui simule le flux de C, N, P, Si et Fe au travers des réservoirs biologiques agrégés (diatomées, nano-pico-phytoplancton, nanoflagellates hétérotrophes, microzooplancton, bactéries) dans les eaux de surface et l’exportation du carbone vers les grands fonds. La mise à jour inclut l’addition du Phaeocystis en tant que variable d’état, ainsi qu’un élargissement du paramétrage sur la base des résultats des études de processus en laboratoire. A l’aide d’analyses de modèles, une version simplifiée du modèle SWAMCO sera développée, qui sera ensuite couplée à un modèle océan-glace de mer avec haute résolution spatiale (30-50 km), déduit du modèle en 3D actuel CLIO. Des simulations sur modèle seront appliquées pour l’océan austral au sud de 30ºS. Les conditions limites pour les variables d’état et le pCO2 seront déduites des simulations actuelles avec modèles CGCM. L’apport de fer par l’atmosphère sera décrit, soit en tant qu’apport direct de la substance atmosphérique, soit en tant que suite de la fonte de la neige et de la glace de mer. La validation sera effectuée à l’aide d’une comparaison des sorties de modèles, basées sur les conditions climatiques actuelles, avec des champs de distribution Chl a réunis, une production primaire (obtenue via Seawifs), des flux de pCO2 et la production exportée déduite de l’analyse des proxies. Enfin, des simulations sur modèle seront effectuées pour un scénario d’avenir où la teneur en CO2 atmosphérique est doublée.
Méthodologie et interaction entre les partenaires
1. Expérimentation in vitrosur des cultures d’espèces phytoplanctoniques-clés (ULB-VUB-MRAC) pour l’étude des facteurs de contrôle (lumière, fer, silice) de la
(1) vitesse de croissance, sédimentation et dégradation du phytoplancton (diatomées et Phaeocystis) (ULB) et
(2) la production nouvelle (VUB) et l’expression des signaux des traceurs tels que Ba-barytine (VUB, MRAC), 15N (VUB), 30Si (MRAC).
2. Bases de données des flux de carbone (ULg-VUB-MRAC)
pCO2 (ULg):
(1) Acquisition de nouvelles données de pCO2 dans des régions et pour des périodes peu échantillonnées;
(2) Construction d’une unité de mesure de pCO2 autonome pour bateau ravitalleur;
(3) Développement d’algorithmes pour la reconstruction de champs de distribution de pCO2 à partir des données SST et Chl-a obtenues à partir des images satellitaires (SEAWIFS).
(4) Estimation des échanges de CO2 à l’interface air-mer à partir des données ERS de vitesse du vent et les champs de distribution de pCO2.
Flux d’exportation et de re-minéralisation du carbone (VUB - MRAC):
Estimation du flux de C exporté et la minéralisation dans la zone mésopélagique (100-1000m) à partir des signaux de différents traceurs (production nouvelle, f-ratio; 234Th-deficit; 30Si-silice biogénique; 15N particulaire; Ba-barytine). Comparaison des résultats avec les productions d'exportation reconstruites à partir des taux de sédimentation des traceurs dans les pièges à particules et les sédiments de surface.
Optimisation du traceur Ba-barytine (VUB-MRAC):
(1) Vérification de la co-variation du signal Ba mésopélagique avec l'exportation de carbone;
(2) Identification des différents facteurs de contrôle du signal Ba;
(3) Comparaison des flux d’exportation estimés à partir du Ba mésopélagique et les flux de POC des pièges à sédiments;
(4) Reconstruction du flux de minéralisation dans la zone mésopélagique;
(5) Optimisation et formulation d’algorithmes de calcul du flux d’exportation à partir des mesures de traceur Ba dans le mésopélagique.
3. Expérimentation numérique:
Elaboration d’un modèle biogéochimique tridimensionnel océan-glace (ULB-UCL)
Couplage d’une version améliorée du modèle biogéochimique (SWAMCO) avec un modèle couplé océan-glace 3D:
(1) Mise en oeuvre du modèle océan-glace 3D et calibration pour l’océan moderne (1988-2000); scénarios de doublement de CO2 atmosphérique (UCL);
(2) Optimisation du code du modèle biogéochimique SWAMCO idéalisé dans sa version unidimensionnelle et élaboration de sa version aggrégée (ULB);
(3) Mise en oeuvre et calibration du modèle biogéochimique 3D océan-glace (UCL-ULB).
Utilisation des résultats du modèle pour l’estimation des flux de CO2 à l’échelle globale, régionale et saisonnière; Identification des régions puits/source de CO2 vis-à-vis de l’atmosphère et de séquestration du carbone dans l’océan profond. Scénarios de changement climatique pour un doublement du CO2 atmosphérique.
Résultats attendus
Estimation du rôle de l’Océan Austral dans les changements globaux grâce à une approche expérimentale mécanistique permettant une meilleure connaissance du fonctionnement de la pompe biologique de carbone dans l’Océan Austral limité en fer. Amélioration de la fiabilité des scénarios de prédictions des changements climatiques.
Partenaires
Vrije Universiteit Brussel - ANCH: Traceurs de la production nouvelle et exportée (Ba-barytine; 234Th-deficit; 15N).
Université Libre de Bruxelles - ESA: Ecophysiologie du phytoplancton et du bactérioplancton et modélisation biogéochimique .
Musée Royal d’Afrique Centrale - Koninklijk Museum voor Centraal Afrika: Traceurs isotopiques et éléments en trace.
Université Catholique de Louvain - ASTR: Modélisation océan-glace
Université de Liège - GHER: Echange océan-atmosphère de CO2 ..
Coordonnées
Dehairs Frank, Co-ordinator: Vrije Universiteit Brussel, Analytische Chemie, ANCH, Pleinlaan 2, B-1050 Bruxelles; Tel: +32 (0)2 629 32 60; Fax: +32 (0)2 629 32 74; e-mail: fdehairs@vub.ac.be
Lancelot Christiane: Université Libre de Bruxelles, Ecologie des Systèmes Aquatiques (ESA), Campus de la Plaine, CP 221, Boulevard du Triomphe, B-1050 Bruxelles; Tel: +32 (0)2 650 59 88; Fax: +32 (0)2 650 59 93; e-mail: Lancelot@ulb.ac.be
- Koninklijk Museum voor Centraal Afrika; Mineralogy, Petrography and Geochemistry, Leuvensesteenweg 13, B-3080 Tervuren; Tel: +32 (0)2 769 54 59; Fax: +32 (0)2 759 54 32; e-mail: landre@africamuseum.be
Deleersnijder Eric: Université Catholique de Louvain, Institut d’Astronomie et de Géophysique Georges Lemaïtre (ASTR), Chemin du Cyclotron 2, B-1348 Louvain-la Neuve; Tel: +32 (0)10 47 32 97; Fax: +32 (0)10 47 47 22; e-mail: ericd@astr.ucl.ac.be
Frankignoulle Michel: Université de Liège, Unité d’Océanographie Chimique, Geohydrodynamics and Environmental research (GHER), Institut de Physique, batiment B5, B-4000 Sart-Tilman; Tel: +32 (0)4 366 33 26; Fax: +32 (0)4 366 23 55; e-mail: Michel.Frankignoulle@ulg.ac.be
Comité d’Utilisateurs
Le comité est composé de scientifiques actifs dans la recherche Antarctique et dont les activités sont complémentaires à celles développées dand BELCANTO et de personnalités siègeant dans les comités d’organisations internationales traitant des changements globaux.
Composition
Tison Jean-Louis; Université Libre de Bruxelles, Département des Sciences de la Terre et de l’Environnement, Unité de Glaciologie, Brussels, Belgium
De Baar Hein J.W., Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ), Den Burg, The Netherlands
Aumont Olivier, Laboratoire d’Océanographie Dynamique et de Climatologie (LODYC), Institut Pierre et Simon Laplace, Paris, France
Vanderborght Oscar, Institute of Environmental Sciences, Universiteit Antwerpen & National Committee IGBP-Global Change, Belgium
Trull Thomas W., Antarctic Cooperative Research Centre, University of Tasmania, Hobart, Tasmania, Australia
Assessing the sensitivity of the Southern Ocean’s biological carbon pump to climate change (BELCANTO II) : final report
Dehairs, F. - Lancelot, C. - André, L. ... et al Brussels : Belgian Science Policy, 2006 (SP1680)
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Assessing the sensitivity of the Southern Ocean’s biological carbon pump to climate change (BELCANTO II) : synthesis
Brussels : Belgian Science Policy, 2007 (SP1717)
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