Du 4 janvier au 23 février 1999, une équipe scientifique internationale* a mené, à bord du navire océanographique Marion-Dufresne de l’IFRTP, la 4e campagne à la mer du projet ANTARES, dont l’objectif général est de décrire et modéliser le cycle du carbone et des éléments biogènes associés dans le secteur Indien de l’Océan Austral ; la modélisation globale du cycle océanique du carbone est un élément fondamental pour quantifier le CO₂ atmosphérique et calculer son évolution future. Le projet ANTARES (1993-2001) repose sur plusieurs volets : des études de processus menées lors de 4 campagnes à la mer, une opération de mesure de variations saisonnières des flux verticaux de matière au moyen de mouillages instrumentés (pièges à sédiment) et, en aval, une action de modélisation. Contribution au programme national PROOF (PROcessus biogéochimiques dans l’Océan et Flux), ce projet est soutenu par l’INSU (Institut National des Sciences de l’Univers) du CNRS, le cadre général de ces études étant le programme international JGOFS (Joint Global Ocean Flux Study). La campagne 1999 a parfaitement rempli ses objectifs de prélèvements et de mesures in situ ; elle devrait permettre plus particulièrement la description et la quantification des stocks et des flux de matière biogène (carbone, azote, silicium) produite dans la couche euphotique (1) et exportée en profondeur, afin de permettre la modélisation de la pompe biologique de CO₂.

L’Océan Austral occupe environ 20 % de la surface totale de l’océan mondial et constitue la voie essentielle par laquelle les autres océans communiquent entre eux. Son influence domine ainsi l’ensemble des phénomènes marins sur la planète. Les processus biologiques, et les conditions hydrodynamiques qui les contrôlent, présentent une grande variabilité spatiale et temporelle. Il apparaît comme une mosaïque de sous-systèmes, certains hautement productifs, d’autres dominés pendant de longues périodes par des boucles de recyclage dissipant la plus grande partie de l’énergie photosynthétique. Selon les échelles de temps considérées, certains peuvent jouer, eu égard au CO₂ atmosphérique, le rôle de source, d’autres celui de puits. Le problème essentiel à résoudre est celui du bilan.

L’Océan Austral est beaucoup moins accessible que les autres régions de l’océan mondial, ce qui rend d’autant plus pressante, pour la collecte de données sur le terrain, la nécessité d’un effort international coordonné. Le choix du secteur indien s’explique par le fait que trois archipels subantarctiques (Iles Kerguelen, Crozet et Saint Paul-Nouvelle Amsterdam) y sont sous souveraineté française, administrés par les Terres Australes et Antarctiques Françaises. La logistique des bases qui s’y trouvent est assurée, à partir de l’Ile de la Réunion, par le Marion Dufresne. L’objectif international, à terme, est, par comparaison avec les zones étudiées par les autres communautés (2) et par intégration des résultats, de parvenir à une quantification de la part de l’Océan Austral dans les stocks et flux planétaires de matière biogène, et principalement dans le cycle du carbone en relation avec les échanges de CO₂ entre l’océan et l’atmosphère et avec la séquestration d’une fraction du carbone biogène dans les eaux profondes ou les sédiments.

Le projet ANTARES repose sur une série de quatre campagnes à la mer, une opération de mesure des flux particulaires verticaux sur un cycle annuel (1995) et une action de modélisation mathématique. La simulation des phénomènes naturels est en effet un indispensable outil de quantification des processus incomplètement accessibles à la mesure. Dans le secteur indien de l’Océan Austral, une première étape a consisté à réaliser un modèle unidimensionnel simulant la variation temporelle et la distribution verticale d’un certain nombre de propriétés physiques, chimiques et biologiques de l’écosystème en un site de référence. L’originalité de ce modèle est de prendre en compte le rôle du silicium. La disponibilité de celui-ci contrôle spécifiquement la croissance des diatomées, le groupe d’algues planctoniques qui est à l’origine de l’essentiel de la production exportable, aussi bien vers les eaux profondes et les sédiments que vers les ressources vivantes. Il est maintenant prévu de passer à une modélisation en trois dimensions, permettant de simuler la circulation océanique générale et ses grands traits, la circulation secondaire qu’elle induit et les effets de ces systèmes hydrodynamiques sur le fonctionnement des écosystèmes. Le but, à terme, est d’intégrer dans un modèle tridimensionnel d’ensemble, éventuellement transposable à d’autres bassins océaniques, les progrès effectués parallèlement dans la simulation des processus biologiques.

Sur le terrain, les précédentes campagnes ANTARES s’étaient intéressées aux variations, à deux saisons différentes, des propriétés des écosystèmes de surface entre les différents sous-systèmes répartis du nord au sud de l’Océan Austral, ainsi qu’aux flux à l’interface eau-sédiment. ANTARES 4 était centrée sur le rôle, dans la production et l’exportation de matière biogène, des systèmes frontaux qui marquent le passage entre le domaine subtropical et le domaine subantarctique. Les fronts sont des zones de transition plus ou moins brutales entre régions marines dont les eaux présentent des propriétés différentes. Leur activité biologique est souvent plus importante que dans les régions adjacentes. C’est notamment le cas dans l’Océan Austral, où des structures frontales à grande échelle, orientées est-ouest, ceinturent pratiquement la planète. Leur rôle dans les bilans paraît considérable. Le tracé de ces fronts présente des structures secondaires à moyenne échelle (méandres, tourbillons) et la circulation qui leur est associée gouverne en grande partie le fonctionnement de l’écosystème. L’originalité d’ANTARES 4 est la mise en œuvre de moyens de caractérisation précise de ces structures physiques, en préalable à la localisation de trois stations d’étude en continu des processus biogéochimiques sur quatre jours chacune : une dans la zone frontale active et deux de part et d’autre. A une exploration extensive rapide (profils de température par sondes perdues) a succédé une reconnaissance fine sur une couche d’eau d’environ 1 000 m par déploiement, dans un quadrilatère situé en bordure du front, d’un système remorqué récemment développé (tow-yo).

Des données satellitaires de couleur de l’océan (capteur SeaWifs) ont également été transmises en temps quasi réel par la NASA, qui fournissait pour la première fois un appui de ce type à une campagne océanographique française. Retraitées à bord pour pallier le caractère fragmentaire des images instantanées (importance de la couverture nuageuse), ces données ont permis de connaître la distribution du phytoplancton en surface sur l’ensemble de la zone et son évolution au cours de la campagne. Cette distribution étant dans une grande mesure calquée sur les structures frontales à moyenne échelle, cette technique est venue compléter et appuyer la reconnaissance physique directe.

* L’équipe scientifique d’Antares 4 était composée de 42 personnes dont 16 au titre d’invités étrangers. La communauté française était représentée par 26 personnes provenant de l’INSU et de 10 laboratoires français. Ces participants représentaient des spécialités allant de l’océanographie physique à la géochimie et la biologie. L’équipe scientifique était assistée par une cellule technique de 4 personnes relevant de l’IFRTP (Institut Français pour la Recherche et la Technologie Polaires).

1) Couche euphotique : zone des océans ou des lacs, atteinte par la lumière solaire, où se fait l’essentiel de la production de matière organique par photosynthèse.

2) Mer de Bellingshausen : Grande-Bretagne ; Mer de Weddell : Allemagne et campagnes européennes sous responsabilité allemande ; secteur atlantique : campagnes allemandes et sud-africaines ; Mer de Ross : USA, Italie ; campagnes australiennes et japonaises dans les secteurs est-indien et ouest pacifique.