SINKER est un nouvel instrument innovant équipé de microscopes et de caméras avancés pour collecter des données détaillées sur le naufrage du carbone dans la neige marine.
L'océan est le plus grand puits de carbone de la Terre et joue un rôle essentiel dans la régulation du climat mondial. Alors que les effets du changement climatique font peser des menaces de plus en plus importantes sur les écosystèmes marins, il est devenu particulièrement urgent de comprendre la capacité des océans à stocker le carbone. Pour mieux observer les processus biologiques contrôlant le transport du carbone vers les profondeurs marines, les scientifiques et ingénieurs de MBARI ont travaillé ensemble pour développer SINKER, un appareil capable de mesurer quoi, quand et quelle quantité de carbone coule dans les profondeurs marines.
SINKER, le robot écologique SINKing, est doté de caméras et de microscopes avancés pour collecter fréquemment des données en temps réel sur la neige marine qui coule sur le fond marin de la baie de Monterey. La neige marine est constituée principalement de matière biologique et apporte de grandes quantités de carbone vers les profondeurs marines.
« À l'heure actuelle, une énorme limitation des modèles de carbone et de climat réside dans la manière dont nous prenons en compte la biologie qui contrôle le naufrage des particules de carbone », a expliqué la scientifique Colleen Durkin, qui dirige l'équipe d'écologie du flux de carbone de MBARI. « Qui fabrique ces particules ? À quelle vitesse coulent-elles ? Quelle est leur taille ? Ces détails sont importants et changent sur des périodes courtes et longues. »
SINKER permet aux chercheurs d'observer la biologie de la neige marine en enregistrant des milliers d'instantanés de minuscules particules organiques s'enfonçant dans les fonds marins au fil des mois, voire des années. Les chercheurs du MBARI espèrent que cet instrument améliorera notre compréhension du stockage du carbone dans les eaux profondes et de la manière dont ce processus pourrait évoluer.
Le lien océan-climat
Le phytoplancton microscopique extrait le dioxyde de carbone des eaux de surface au fur et à mesure de sa croissance, permettant à l'océan d'absorber de grandes quantités de ce gaz à effet de serre. À mesure que le plancton plus gros consomme du phytoplancton, fait caca et meurt, la matière organique qui coule absorbe le carbone de l'atmosphère et l'envoie dans les profondeurs de l'océan. Connu sous le nom de pompe biologique, ce processus emprisonne le carbone dans les profondeurs marines pendant des décennies, voire des siècles.
Bien qu’il s’agisse d’un élément essentiel du cycle du carbone, les scientifiques ont encore de nombreuses questions sans réponse sur le naufrage des particules dans les profondeurs océaniques. La chimie, la physique et la biologie contrôlent toutes le transport du carbone vers les profondeurs océaniques, mais les processus biologiques sont les plus difficiles à observer et à modéliser de manière réaliste. Les conditions difficiles et l’éloignement des grands fonds rendent difficile l’observation de la neige marine.
Nous ne pouvons pas prédire la source biologique des particules qui coulent, ce qui a limité notre capacité à modéliser la quantité de carbone exportée. Nous ne savons pas à quelle vitesse les particules coulent, ce qui détermine la profondeur à laquelle une particule est transportée et, par conséquent, la durée pendant laquelle elle est stockée loin de l'atmosphère. Les échelles de temps pertinentes sur lesquelles ces processus varient sont également largement inconnues.
L'équipe d'écologie du flux de carbone de MBARI étudie le rôle de l'océan dans le cycle du carbone. Durkin et son équipe s’efforcent de comprendre comment la biologie océanique contrôle la quantité de carbone qui se dirige vers les profondeurs marines.
La collaboration inspire l’innovation
Les chercheurs se sont historiquement appuyés sur l’extrapolation d’ensembles de données à court terme pour prédire les tendances à long terme, mais ont négligé les événements épisodiques et imprévisibles qui se produisent entre les expéditions sur le terrain. Durkin et son équipe avaient un objectif audacieux : relier le calcul complexe du carbone de la Terre à l'océan vivant (tout ce qui produit ou consomme de la neige marine) pour aider les scientifiques à mieux modéliser notre climat changeant.
Répondre à des questions aussi difficiles sur la neige marine et le transport du carbone océanique a nécessité une équipe interdisciplinaire de scientifiques et d'ingénieurs MBARI.
« La collaboration entre disciplines oblige tous les membres de l'équipe à sortir de leur zone de confort et, à bien des égards, à voir beaucoup plus grand », a déclaré Durkin. « Ces premières conversations se sont transformées en un objectif ambitieux : observer les particules en train de couler avec un nouvel instrument innovant. »
L’équipe a déterminé qu’elle souhaitait un instrument capable de photographier des particules en train de couler d’une taille allant de quelques dizaines de micromètres à quelques centimètres, de collecter des données aussi souvent que chaque seconde et de fonctionner en haute mer pendant plus d’un an. Les ingénieurs MBARI se sont mis au travail pour développer le système d'imagerie SINKER. Ils ont identifié les meilleures caméras à utiliser, puis ont conçu un cadre, des circuits imprimés et des boîtiers sous-marins. La plupart des composants de SINKER ont ensuite été construits à partir de zéro en interne par les fabricants et les techniciens de l'atelier d'usinage de MBARI.
Un bond en avant
SINKER combine plusieurs systèmes d’imagerie pour fournir un aperçu détaillé des processus biologiques et physiques qui influencent le naufrage du carbone.
Tandis que les particules coulent dans un tube collecteur central, trois caméras prennent des photos pour mesurer la vitesse de chute des particules. Une fois que les particules ont atterri sur une plaque collectrice, deux caméras orientées vers le haut prennent des photos afin que les chercheurs puissent mesurer la taille, la forme et la composition de chaque particule. Toutes les deux heures, une brosse essuie la plaque à imagerie pour l'empêcher d'être complètement obstruée par trop de particules.
« SINKER exploite les outils et les technologies qui ont été développés chez MBARI au cours de la dernière décennie », a déclaré l'ingénieur électricien principal Paul Roberts. « Cette solution représente une avancée technologique significative dans la mesure d'un large éventail de variables liées au naufrage des particules de carbone. »
« Mesurer plusieurs variables à la fois nous permet de recueillir des observations biologiques quantitatives détaillées de l'exportation de carbone », a déclaré Crissy Huffard, spécialiste principale de la recherche. « Les cinq caméras de SINKER nous offrent de nombreuses vues différentes des particules en train de couler, ce qui, nous l'espérons, nous aidera à répondre aux questions fondamentales sur la séquestration du carbone océanique. »
Quelle est la prochaine étape
Les chercheurs de MBARI ont déployé SINKER pour la première fois en juillet lors d'une croisière à bord de notre navire de recherche Rachel Carson. Amarré au fond de la mer et alimenté par l'observatoire océanique câblé de MBARI, SINKER collecte en continu des données sur un site de recherche situé juste à l'extérieur de la baie de Monterey, à une profondeur de 900 mètres (environ 3 000 pieds), puis transmet ces résultats au rivage, offrant ainsi aux chercheurs une fenêtre sur les profondeurs de l'océan.
L'équipe prévoit de récupérer le système en décembre, d'analyser les données et d'apporter des ajustements à la conception de l'instrument si nécessaire. Une fois ce processus terminé, ils ont l'intention de déployer à nouveau SINKER pendant au moins un an, voire plus.
« L'objectif à long terme est que SINKER soit branché pendant de nombreuses années afin que nous puissions comprendre comment le flux de carbone évolue au fil du temps, de jour en jour et au fil des saisons », a déclaré Durkin. « À un moment donné, nous espérons pouvoir intégrer cette technologie à d'autres observatoires câblés afin que nous puissions commencer à comprendre les exportations de carbone dans divers environnements océaniques. »
En savoir plus sur le captage du carbone aidera les chercheurs à mieux comprendre comment l'océan régule le climat de la Terre et à prédire comment les conditions changeantes de l'océan affecteront la vie marine et les écosystèmes. Les données de SINKER pourront fournir des informations inestimables dont les décideurs politiques ont besoin pour éclairer la prise de décision concernant l'océan.
