Les tourbillons océaniques jouent un rôle essentiel dans le renouvellement des nutriments de l’océan. Voici comment.

• Les petits tourbillons déplacent d’importants nutriments dans les océans et contribuent à maintenir la vie marine en bonne santé.
• Selon les chercheurs du MIT, cette répartition des nutriments pourrait également contribuer à maintenir le stockage du carbone dans les océans subtropicaux.
• Cela contraste avec de nombreux modèles climatiques, qui tendent à prévoir un déclin de la capacité de l’océan à piéger le carbone au cours des prochaines décennies.

Les gyres subtropicaux sont d’énormes courants océaniques rotatifs qui génèrent des circulations soutenues dans les régions subtropicales de la Terre, juste au nord et au sud de l’équateur. Ces gyres sont des tourbillons lents qui circulent dans d’immenses bassins à travers le monde, recueillant des nutriments, des organismes et parfois des déchets, à mesure que les courants tournent d’une côte à l’autre.

Pendant des années, les océanographes se sont interrogés sur des observations contradictoires au sein des tourbillons subtropicaux. À la surface, ces courants massifs semblent héberger des populations saines de phytoplancton – des microbes qui alimentent le reste de la chaîne alimentaire océanique et sont responsables de l’absorption d’une partie importante du dioxyde de carbone de l’atmosphère.

Mais d’après ce que les scientifiques savent de la dynamique des gyres, ils ont estimé que les courants eux-mêmes ne seraient pas capables de maintenir suffisamment de nutriments pour entretenir le phytoplancton qu’ils observaient. Comment, alors, les microbes ont-ils pu prospérer ?

Les chercheurs du MIT ont découvert que le phytoplancton peut recevoir des nutriments de l’extérieur des tourbillons, et que le véhicule de livraison se présente sous la forme de tourbillons – des courants beaucoup plus petits qui tourbillonnent sur les bords d’un tourbillon. Ces tourbillons attirent les nutriments des régions équatoriales à forte teneur en nutriments et les poussent vers le centre de la gyre, où ils sont ensuite absorbés par d’autres courants et pompés vers la surface pour nourrir le phytoplancton.

Selon l’équipe, les tourbillons océaniques semblent être une source importante de nutriments dans les gyres subtropicaux. Leur effet de réapprovisionnement, que les chercheurs appellent un « relais des nutriments », contribue à maintenir les populations de phytoplancton, qui jouent un rôle central dans la capacité de l’océan à piéger le carbone de l’atmosphère. Alors que les modèles climatiques tendent à prévoir un déclin de la capacité de l’océan à piéger le carbone au cours des prochaines décennies, ce « relais nutritif » pourrait contribuer à maintenir le stockage du carbone dans les océans subtropicaux.

« Il y a beaucoup d’incertitude sur la façon dont le cycle du carbone de l’océan va évoluer au fur et à mesure que le climat continue de changer », explique Mukund Gupta, un post-doc à Caltech qui a dirigé l’étude lorsqu’il était étudiant diplômé au MIT. « Comme le montre notre article, il n’est pas simple d’obtenir la bonne distribution du carbone, et cela dépend de la compréhension du rôle des tourbillons et des autres mouvements à petite échelle dans l’océan. »

La coupe transversale d’une gyre océanique ressemble à une pile de bols emboîtés, stratifiés par densité : Les couches chaudes et légères se trouvent à la surface, tandis que les eaux plus froides et plus denses constituent les couches plus profondes. Le phytoplancton vit dans les couches supérieures ensoleillées de l’océan, où les microbes ont besoin de lumière solaire, de températures chaudes et de nutriments pour se développer.

Lorsque le phytoplancton meurt, il coule à travers les couches de l’océan sous forme de « neige marine ». Une partie de cette neige relâche des nutriments dans le courant, où ils sont pompés pour nourrir de nouveaux microbes. Le reste de la neige s’enfonce hors du tourbillon, jusqu’aux couches les plus profondes de l’océan. Plus la neige s’enfonce, plus il est difficile de la pomper vers la surface. La neige est alors piégée, ou séquestrée, avec le carbone et les nutriments non libérés.

Les océanographes pensaient que la principale source de nutriments dans les gyres subtropicaux provenait de la recirculation de la neige marine. Mais comme une partie de cette neige coule inévitablement au fond, il doit y avoir une autre source de nutriments pour expliquer la bonne santé des populations de phytoplancton à la surface. La nature exacte de cette source « laisse la communauté océanographique un peu perplexe depuis un certain temps », déclare M. Gupta.

Dans sa nouvelle étude, l’équipe a cherché à simuler un tourbillon subtropical pour voir quelles autres dynamiques peuvent être à l’œuvre. Ils se sont concentrés sur le tourbillon du Pacifique Nord, l’un des cinq principaux tourbillons de la Terre, qui circule dans la majeure partie de l’océan Pacifique Nord et s’étend sur plus de 20 millions de kilomètres carrés.

L’équipe a commencé par utiliser le MITgcm, un modèle de circulation générale qui simule les modèles de circulation physique dans l’atmosphère et les océans. Pour reproduire la dynamique de la gyre du Pacifique Nord de manière aussi réaliste que possible, l’équipe a utilisé un algorithme MITgcm, précédemment développé à la NASA et au MIT, qui règle le modèle pour qu’il corresponde aux observations réelles de l’océan, telles que les courants océaniques enregistrés par les satellites et les mesures de température et de salinité prises par les navires et les dériveurs.

« Nous utilisons une simulation de l’océan physique qui est aussi réaliste que possible, compte tenu des mécanismes du modèle et des observations disponibles », explique M. Lauderdale.

Une animation de l’océan Pacifique Nord montre les concentrations de nutriments phosphatés à 500 mètres sous la surface de l’océan. Les remous représentent de petits tourbillons transportant le phosphate de l’équateur riche en nutriments (couleurs claires) vers le nord, en direction des régions subtropicales pauvres en nutriments (couleurs plus sombres). Ce mécanisme de relais des nutriments contribue à soutenir l’activité biologique et la séquestration du carbone dans l’océan subtropical.