Extrait de la Lettre n°10 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1- Trajet des campagnes du Service d'Observation OISO.

2 - Sur cette carte sont représentés le trajet de la campagne OISO-1 de Janvier-Février 98 (trait blanc) et “la couleur de la mer” vue par le satellite SeaWIFS/NASA durant la même période (ici données mensuelles de Février 98), traduite ici en concentration de chlorophylle, témoignage de l’activité biologique.

3 - Observations lors de la campagne OISO 1 (Janvier-Février 1998): mesures de fCO₂ de surface océanique (trait) et atmosphérique (rond).

4 - Profils de carbone inorganique total dissous (DIC ou TCO₂) et de ¶13C observés en zone subtropicale de l'Océan Indien en Janvier 1978 (campagne GEOSECS, station G427) et Janvier 1998 (OISO-1, stations 1 et 2).

Le programme OISO (Océan Indien Service d'Observation, labélisé Service d'Observation INSU en Juillet 1997) a pour objectif de mettre en place un réseau couplé d'observations océaniques et atmosphériques à long terme afin d'identifier et quantifier les variations des sources et puits de CO₂ océaniques, comprendre comment les échanges air-mer de CO₂ varient d'une saison à l'autre, d'une année à l'autre, et estimer l'évolution de ces échanges en réponse à des anomalies climatiques.

Le service d'Observations OISO de l'IPSL (Institut Pierre Simon Laplace) est soutenu par l'INSU, l'Université P et M. Curie et l'IFRTP. Il réuni trois laboratoires de l'IPSL : - Le LPCM, maître d'œuvre, prend en charge les mesures océaniques hydrologiques et géochimiques de surface et en station (fCO2, DIC, TA, nutritifs, Chl) et l'obtention des données satellitales. - Le LODYC prend en charge les analyses des échantillons océaniques de 18O et 13C. - Le LSCE prend en charge les mesures des échantillons atmosphériques (CO2, 18O et 13C, CH4). Ces données complètent les mesures effectuées en continu à la station d'Amsterdam. Durant chaque campagne (2/an prévues), l'IFRTP met à disposition à bord du Marion-Dufresne des instruments (Navigation, CTD, Rosette-24 bouteilles) dont la mise en place et le suivi sont assurés par les ingénieurs de l'équipe océanographie de l'Institut Polaire. Campagnes et valorisations de projets et données En 2000, deux campagnes sont prévues, en Janvier/Février et Juin/Juillet. Durant ces campagnes, le Service d'Observation accueillera trois projets : des lachers de bouées Carioca (LODYC) en zone subantarctique, une étude génétique sur les foraminifères planctoniques (Univ. Genève) et des mesures océaniques de DMS (LSCE). En 2001, pour assurer l'observation interannuelle, nous prévoyons également deux campagnes aux périodes de Février et Juillet auquelles pourraient se joindre des projets d'obervations dans le cadre de CLIVAR/PNEDC/Thème Austral. Afin de valoriser au mieux les temps de navigation, le calendrier du Marion-Dufresne est organisé en associant les campagnes OISO à d'autres programmes scientifiques (e.g. S.O. ROSAME/NIVMER) ainsi qu'aux logistiques et opérations scientifiques et touristiques des TAAF. Les données OISO seront mises à disposition sur le site de la base de données de l'IPSL (ouverture prévisible printemps 2000). Les données, pour certaines déjà communiquées dans des laboratoires français ou étrangers, sont actuellement directement disponibles auprès du coordinateur.

La reconnaissance des processus responsables des variations du cycle du CO₂ océanique nécessite un suivi pluriannuel de la même région. Par exemple, dans le cadre de JGOFS, des stations fixes ont été maintenues (comme BATS et HOT dans les régions subtropicales de l'Atlantique Nord et du Pacifique Nord) permettant, en particulier, de suivre l'évolution des concentrations de CO₂ sur plusieurs années et d'en extraire la composante anthropique, de la même façon qu'il est possible de suivre l'évolution croissante de la température océanique à la station des Bermudes ou l'accroissement de CO₂ atmosphérique aux multiples stations du réseau mondial depuis plus de cinquante ans.

Pour analyser les variations interannuelles et détecter une évolution du signal anthropique au sein de l'océan, une stratégie de mesures répétées est indispensable. Pour OISO, le choix est ici fixé sur les zones océaniques couvertes par les trajets du Marion-Dufresne dans le secteur sud-ouest de l'Océan Indien (zone des Terres Australes Françaises, figure 1). Au niveau international, cette région est complémentaire des programmes organisés par des laboratoires étrangers (US, UK, Australie, Japon, ...) dans les océans Atlantique, Pacifique et Sud-Est Indien. Une attention particulière est portée sur la zone australe, très peu documentée. En particulier, on ne connaît pas le cycle saisonnier du CO₂ océanique au sud du front polaire, qui se positionne à environ 50°S dans le secteur sud-ouest Indien. Il faut également noter que l'océan austral est la région pour laquelle les modèles globaux du cycle de carbone océanique présentent d'importants défauts, non seulement en ce qui concerne le cycle naturel du carbone océanique, mais également pour l'estimation de la pénétration du CO₂ anthropique : comparés aux rares observations, les modèles surestiment les inventaires de CO₂ anthropique d'un facteur trois dans l'océan austral. Certains défauts des modèles sont toutefois reconnus, en partie liés à une mauvaise représentation de la dynamique et du couplage océan-cryosphère dont une amélioration est attendue dans le cadre du programme PNEDC/CLIVAR. Notons aussi que, jusqu'à présent, les modèles d'inversions basés sur les observations atmosphériques indiquent que l'océan austral, au sud de 50°S, est une source de CO₂, ce qui est en contradiction avec les observations océaniques (y compris l'analyse des données des 3 premières campagnes OISO). Au delà des incertitudes sur les bilans nets de carbone, des expériences numériques, effectuées à l'aide de modèles couplées océan-atmosphère, indiquent que la réponse de l'océan austral serait particulièrement sensible à l'accroissement de l'effet de serre dû aux activités anthropiques: un changement notable des structures thermiques, des régimes de précipitations, de la circulation océanique et de l'activité biologique, conduirait à une répartition différente des sources et puits de carbone qu'il faut pouvoir tenter d'observer dès maintenant, et pour tout le moins, disposer de bonnes conditions initiales pour les réalisations numériques futures. Au cours des campagnes OISO, on s'efforcera de recueillir des informations rares et précieuses, sur les caractéristiques hydrologiques et biogéochimiques de l'océan austral, zone éloignée des routes maritimes où l'utilisation répétitive de navires marchands est hors de propos, et à la couverture nuageuse abondante, limitant la qualité d'observations satellitales. Pour atteindre les objectifs d'observations en zone australe, le programme OISO prévoit un trajet répété au Sud-Ouest de l'Archipel de Kerguelen (figure 1).

Des régions biogéochimiques variées
En suivant le trajet OISO, les régions océaniques subtropicales, subantarctiques, la zone du front polaire, et la zone antarctique sont observées; elles correspondent à des provinces biogéochimiques contrastées comme l'indiquent les observations satellitales de concentration de chlorophylle (figure 2). Le long du trajet sont effectuées des mesures en continu ou semi-continu de la pression partielle de CO₂ de l'eau de surface et de l'air, ainsi que d'un certain nombre de paramètres associés (hydrologie, sels nutritifs, carbone inorganique dissous, alcalinité, chlorophylle,...). Des prélèvements d'air sont effectués régulièrement pour la mesure de CO₂, ¹⁸O, ¹³C, CH₄. Dans chaque secteur océanique, marqué par des signatures biogéochimiques particulières, des stations hydrologiques (CTD) sont effectuées avec prélèvements sur Rosette pour la mesure des propriétés biogéochimiques dans la colonne d'eau (CO₂, sels nutritifs, chlorophylle, ¹³C, ...). Ces stations permettent d'estimer l'étendue en profondeur des variations saisonnières et interannuelles et d'assurer une connaissance sur les conditions aux limites sous la couche de mélange océanique. Certaines stations, réoccupations de stations "historiques", permettront, 20 ans ou 10 ans après les programmes GEOSECS ou INDIGO, de s'intéresser au signal de CO₂ anthropique. A noter que la station JGOFS-France KERFIX, située au sud-ouest de Kerguelen, réalisée de 1991 à 1995 est systématiquement visitée durant OISO.

Nouvel éclairage : le couplage des mesures en mer et des données satellitales
Afin d'étendre les observations, le long des traces du navire, à une vision régionale du cycle du CO₂ océanique, les données in-situ recueillies au cours des campagnes OISO sont analysées conjointement aux observations satellitales (Couleur de la Mer, capteur NASA/SeaWIFS lancé en Août 97, température, vent...). Durant la saison d'été austral, le couplage entre la distribution de CO₂ océanique et les champs de chlorophylle issus des données satellitales est particulièrement bien marqué sur l'ensemble de la zone 20°S-60°S, tandis que lors de la campagne d'hiver austral (OISO-2 d'Août-Septembre 98), ce couplage est principalement identifié en zone subtropicale où est reconnue une augmentation des concentrations de chlorophylle (in-situ et satellitale). A titre d'exemple, la figure 3 présente des mesures de fCO₂ dans l'océan et l'atmosphère, obtenues lors de la campagne OISO-1 (Janvier-Février 98). L’analyse conjointe des observations en mer et satellitales montre que la variabilité spatiale du CO2 océanique épouse les signaux marqués par l’activité biologique.

Au sud de la zone subtropicale oligotrophe (20°S-35°S, en bleu sur la carte figure 2), la diminution progressive de la température et l’accroissement des concentrations de pigments chlorophylliens imposent la forte diminution de fCO₂ océanique (figure 3a).

Dans les zones subantarctiques et du front polaire (40°S-50°S) on distingue une variabilité de fCO₂ à méso-échelle qui témoigne d’une activité biologique très variable dans la zone frontale océanique. Au cours de la campagne OISO-1 de Février 98, de très fortes sous-saturations de CO₂ dans les eaux de surface ont été identifiées au nord-est de Kerguelen (autour de 47°S, figure 3b); elles témoignent d'une activité biologique intense, visible sur la carte figure 2. Il n'est pas anecdotique de signaler que c'est précisément dans ce secteur et en cette saison, que vont s'alimenter les otaries de Kerguelen (C.Guinet/CEBC, comm. pers.). La forte sous-saturation et les vents intenses conduisent à un flux de CO₂ de l'ordre de 100 mmolC/m2/jour; ce puits océanique, localisé, est d'un ordre de grandeur supérieur à ce qui est observé dans la plupart des régions océaniques. Ce secteur a été revisité lors des deux autres campagnes OISO de 1998; les résultats préliminaires indiquent qu’une diminution significative de CO₂ océanique a lieu à partir de Novembre; durant l’hiver austral la région est, par contre, sur-saturée en CO₂, indiquant que le mélange hivernal, avec les eaux de sub-surface enrichies en CO₂, domine les processus thermodynamiques (température plus froide). Pour cette saison, le bilan de l'activité biologique (production/reminéralisation) reste à quantifier.

Dans l’océan austral, au sud de 50°S, le CO₂ océanique est plus homogène; la variabilité des signaux de couleur de la mer y est également moins prononcée qu'en zone frontale. Au sud de 55°S, les mesures de Janvier 98 (figure 3) indiquaient des concentrations de CO₂ proches de l'équilibre ou supérieures au CO₂ atmosphérique (source océanique) tandis qu'en Décembre 98, nous avons observé dans la même région des sous-saturations (puits de CO₂). Cette première analyse, montre l'intérêt de poursuivre les observations en zone australe pour mieux y estimer les variations du cycle du carbone et mieux apprécier la qualité des modèles océaniques et atmosphérique inverses à reproduire les flux air-mer dans ce secteur.

Flux de CO₂ régional et pénétration du carbone anthropique
Au-delà des analyses descriptives basées sur les mesures de surface et en stations localisées le long des trajets, il faut estimer de façon intégrée, le flux de CO₂ dans la zone d'investigation, voire à l'échelle du bassin. Cela sera effectué en utilisant un modèle biogéochimique forcé par les données satellitales (vent, température, couleur de la mer), permettant d’estimer l’influence des différents processus (thermodynamique, biologie...) sur la variabilité interannuelle des flux air-mer de CO₂. Ces estimations, vues de l’océan, seront comparées aux approches inverses atmosphériques (cadre FRAISE/PROOF) et aux modèles océaniques (cadres Modélisation/PROOF, IGBP/OCMIP et FOCCI/Vème PCRD). La compréhension des variations saisonnières et interannuelles guidera également les diagnostics sur l’invasion du CO₂ anthropique. Déjà, une comparaison des données OISO - 1 de 1998 avec les observations "historiques" GEOSECS de 1978 (figure 4) ou celles plus récentes de 1991, obtenues dans le cadre du programme MINERVE (soutenu de 1991 à 1997 par le PNEDC/CO2, l’IFRTP et le programme européen ESCOBA), suggère l’existence d’un accroissement significatif de CO₂ dans les eaux de surface océaniques en zones subtropicale et australe, témoignage d'une invasion de carbone anthropique.

L'accroissement de CO₂ observé dans la gyre de l'Océan Indien sud est du même ordre de grandeur que celui détecté dans les zones subtropicales de l'hémisphère nord (stations JGOFS/BATS et HOT). Dans le secteur subantarctique, zone de profondes couches de mélange (jusqu'à 520m observé en hiver austral lors de OISO-2) le signal anthropique y est plus dilué et il est encore trop tôt pour l'identifier clairement car les variations naturelles, nous l'avons vu, sont fortes en regard des signaux anthropiques; il est aujourd'hui nécessaire d'analyser en détail la variabilité interannuelle du CO₂ océanique, liée par exemple aux positions des fronts circumpolaires, aux ondes circumpolaires antarctiques ou associée à des changements de production primaire. Cette variabilité interannuelle, comme la propagation en profondeur du signal anthropique et son évolution, seront étudiées plus en détail avec les données OISO de 2000 et 2001 et seront comparées aux estimations de modèles océaniques pour mieux apprécier les efforts d'observations et de modélisations qui seront à mettre en œuvre et développer dans les futurs programmes tels que CLIVAR ou SOLAS (Surface Ocean Lower Atmosphere Studies) .

Contact :
Nicolas Metzl
Laboratoire de physique et chimie marines
Université Pierre et marie Curie, Case 134
4, place Jussieu
75252 Paris Cedex 5