L'océan sud joue un rôle important dans le climat mondial et le cyclisme du carbone. La compréhension de l'exportation du carbone dans cette région est essentielle pour modéliser l'évolution du climat de la Terre et évaluer les interventions potentielles sur le climat océanique.
Dans la vaste étendue de l'océan Austral, les autoroutes invisibles de carbone s'écoulent de la surface au fond de l'océan. Cette « surhigne de carbone » est un élément clé du système climatique de la Terre, déplaçant le dioxyde de carbone de l'atmosphère dans les profondeurs de l'océan, où elle peut être stockée pendant des décennies ou des siècles. Mesurer la vitesse et la capacité de cette autoroute – et comment elle change – a longtemps mis au défi les scientifiques, en particulier dans les eaux les plus reculées de la planète.
Une nouvelle étude dirigée par MBARI Postdoctoral Fellow Guillaume Lineger, en collaboration avec l'Institut coopératif de Washington de l'Université de Washington pour les études sur le climat, l'océan et les écosystèmes (CICOOS) et le projet d'observations et de modélisation du carbone et du climat de l'océan et de l'océan dans l'océan sud.
En combinant une énorme trate de données de flotteurs robotiques avec l'apprentissage automatique de pointe, l'équipe a trouvé que la capacité de l'océan à stocker le carbone atmosphérique est encore plus grande – et se développer plus rapidement – qu'auparavant.
Publié ce mois-ci dans Cycles biogéochimiques mondiauxla recherche montre que la production annuelle de la communauté nette (ANCP) – une mesure de la quantité de carbone est convertie en matière organique et exportée vers la profondeur – augmentée de près de 1% par an entre 2004 et 2022. En moyenne, l'océan Sud exporte 3,91 milliards de tonnes de carbone chaque année. La recherche suggère également que les méthodes traditionnelles d'estimation de l'ANCP à partir des changements de nitrate saisonniers peuvent sous-estimer l'exportation de carbone réelle d'environ un tiers.
« L'océan joue un rôle essentiel dans le climat de la Terre. Ce travail est une étape importante dans la compréhension de la productivité et du cyclisme du carbone dans l'océan Austral qui peut aider à améliorer les modèles de notre climat changeant », a déclaré Lineger.
Déverrouiller les secrets d'un océan éloigné
Encerclant l'Antarctique, l'océan sud joue un rôle démesuré dans le climat mondial. Il ne couvre qu'environ un tiers de la surface de l'océan mondial, mais représente une part beaucoup plus importante de l'absorption de carbone océanique. Des vents et des courants puissants mélangent les eaux profondes et riches en nutriments à la surface, alimentant des fleurs de phytoplancton microscopique. Ces minuscules plantes utilisent la lumière du soleil et le nitrate pour se développer, tirant du dioxyde de carbone de l'atmosphère dans le processus.
Alors que le phytoplancton meure ou est consommé, une partie de leurs éviers riches en carbone, transportant du carbone atmosphérique vers l'océan profond. Cette pompe à carbone biologique est un régulateur de climat critique. Mais le temps dur, la glace de mer et l'éloignement pure en font l'un des systèmes les plus difficiles à observer directement.
Un réseau sous les vagues
SOCCOM, une collaboration internationale organisée par la Scripps Institution of Oceanography pour étudier l'océan Austral, fait partie du programme international de biogéochimiques-argo (BGC-Argo) qui déploie des flotteurs de profilage autonomes équipés de capteurs qui mesurent la température, la salinité, l'oxygène, le nitrate, le pH et d'autres variables clés. Depuis 2014, SOCCOM a publié plus de 300 flotteurs dans l'océan Austral. Ces flotteurs font surface tous les 10 jours pour transmettre leurs données via le satellite.
Mbari a contribué à développer et à affiner les capteurs chimiques qui rendent ces mesures possibles. « Ces flotteurs sont nos yeux et nos oreilles dans une partie de l'océan où les mesures des navires sont rares », a déclaré le scientifique principal de Mbari, Ken Johnson, co-auteur de la nouvelle étude. « Ils nous donnent une couverture à l'échelle du bassin toute l'année qui était inimaginable il y a une décennie. »
Enseigner aux machines à voir les modèles
La nouvelle recherche articulée sur une étape ambitieuse: enseigner un réseau neuronal artificiel pour reconnaître les modèles dans les données de nitrate collectées par les flotteurs. Le nitrate est un nutriment vital pour la croissance du phytoplancton et un moyen fiable de mesurer l'ANCP. En contraignant le réseau neuronal avec la couverture spatiale et temporelle dense de BGC-ARGO, et en corrigeant des biais physiques et d'échantillonnage en utilisant le modèle biogéochimique d'estimation de l'État de l'océan sud, l'équipe de recherche a généré des estimations cohérentes de nitrate dans tout l'océan sud et tout au long de l'année.
« Nous voulions un modèle qui pourrait combler les lacunes de l'espace et du temps et approximativement les conditions physiques et biogéochimiques de l'océan Austral aussi réaliste que possible », a expliqué Lineger. « L'apprentissage automatique nous a donné un moyen de le faire. »
Un nombre plus clair et plus grand
Avec ces champs de nitrate améliorés, les chercheurs ont recalculé l'ANCP et ont constaté que l'exportation du carbone de l'océan austral est non seulement substantielle, mais également en augmentation. Les résultats alignés sur les observations satellites montrant des concentrations de chlorophylle de surface augmentant et avec des sorties de modèle prédisant des flux d'exportation plus élevés.
Tout aussi important, l'analyse a révélé un angle mort dans les approches communes. Les estimations basées uniquement sur le retrait saisonnier du nitrate au printemps et en été ont raté des exportations importantes qui se produisent à l'extérieur de cette fenêtre, entraînant des sous-comptages d'environ 38%. Cette constatation a des implications sur la façon dont les scientifiques calculent les budgets mondiaux du carbone et comment ils valident les modèles climatiques.
Données globales, impact partagé
Comme Mbari, SOCCOM rend toutes ses données disponibles gratuitement, soutenant la recherche sur la chimie des océans et le climat dans le monde. Cette ouverture est par conception: l'océan Austral est une ressource mondiale partagée, et la compréhension de son rôle dans la réglementation climatique nécessite une collaboration internationale.
« Ce travail montre le pouvoir de combiner des données ouvertes et de haute qualité avec une analyse innovante », a déclaré Johnson. « Il ne s'agit pas seulement de produire un meilleur numéro, il s'agit de fournir aux outils que les décideurs et les gestionnaires de ressources doivent prendre des décisions éclairées sur l'avenir de l'océan – et toute la planète. »
En avant
À mesure que le changement climatique s'accélère, il est crucial de garder un œil sur la dynamique du carbone de l'océan sud. Cette approche d'apprentissage automatique offre un moyen amélioré de surveiller les tendances à long terme et de détecter les changements émergents dans ce système critique.
Dans le cadre du travail continu de Mbari pour comprendre la connexion sur le climat océanique, nous envisageons d'appliquer des méthodes similaires à d'autres régions et d'élargir la gamme de variables prédites par les réseaux de neurones. En utilisant des technologies innovantes des navires de recherche de pointe vers une IA avancée, nos chercheurs continueront d'explorer le rôle intégral de l'océan dans le cycle et le climat du carbone de la Terre.
Alors que nous rendons plus visible les flux invisibles de la surhigne de carbone, nous espérons accroître notre compréhension du système climatique sur lequel nous dépendons tous et obtenir de nouvelles idées pour aider à guider la prise de décision sur le changement climatique et à évaluer les interventions climatiques en océanique.
Cette recherche démontre également l'engagement de Mbari à tirer parti de notre expertise en matière de technologie de pointe et d'ingénierie pour répondre aux questions fondamentales sur les environnements polaires et autres composants de la cryosphère. Ces informations peuvent aider les gestionnaires de ressources et les décideurs politiques à prendre des décisions concernant l'avenir de cet important écosystème.
