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La physique marine, chef de l’orchestre phytoplanctonique !

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Quand biologistes et physiciens de l’Institut méditerranéen d’océanographie (MIO/PYTHÉAS, CNRS / Université de Toulon / IRD / AMU) et de la Station biologique de Roscoff (SBR, CNRS / UPMC) ont mis en commun leurs expertises pour observer la variabilité du phytoplancton océanique à une très fine échelle spatio-temporelle

Biologistes et physiciens du MIO (Mediterranean institute of oceanography) et de la SBR ont voulu en savoir plus sur la composition de la communauté phytoplanctonique et sa variabilité associées à de petites structures dynamiques à la surface de l’océan.

Images satellite de la mer Ligure le 2 novembre 2015. À gauche la concentration en Chl-a, à droite température de surface. La zone d’étude est représentée par le cadre noir. Données issues du CMEMS-Copernicus Marine Environment Monitoring Service (http://marine.copernicus.eu/)

C’est ainsi que la campagne océanographique OSCAHR (Observing submesoscale coupling at high resolution) a vu le jour. Grâce au développement d’un logiciel (SPASSO – Software package for an adaptive satellite-based sampling for ocean campaigns) permettant de suivre en quasi-temps réel la dynamique physique de l’océan, les chercheurs ont pu cibler une structure d’eau plus froide (16°C) entourée d’eau plus chaude (18.5°C) s’étant formée en mer Ligure, entre la France, l’Italie et la Corse, début novembre 2015. Fait intéressant, l’abondance phytoplanctonique observée par satellite à l’intérieur du cœur d’eau froide était bien plus importante qu’à la périphérie. Décision a donc été prise d’aller échantillonner cette zone à bord du N/O Téthys II du CNRS/INSU, en embarquant un cytomètre en flux automatisé de dernière génération (un appareil permettant de compter une à une les cellules phytoplanctoniques) et en déployant un « poisson plongeur » (MVP Moving vessel profiler) capable d’effectuer des profils verticaux de la colonne d’eau (jusqu’à environ 300 m), toutes les milles nautiques le long du trajet du navire.

Mesures de température (SST) et de salinité (SSS) des eaux de surface pendant la campagne OSCAHR (haut). Mesures de la température et de la salinité en continu jusqu’à 300 m de profondeur acquises avec le MVP lors du transect Sud/Nord mis en évidence par le rectangle noir.
Variabilité des abondances de Prochlorococcus, Synechococcus, pico- et nano-eucaryotes mesurées toutes les 20 minutes le long du trajet du navire.

Le cytomètre automatisé a permis d’observer en temps réel et à une période de 20 minutes la composition phytoplanctonique des eaux de surface. Pour la première fois avec ce type de cytomètre embarqué, nous avons pu clairement observer et dénombrer les plus petits organismes photosynthétiques sur Terre, des cyanobactéries de type Prochlorococcus. Les trois autres groupes majoritaires observés sont les Synechococcus, les picoeucaryotes (< 2 µm) et les nanoeucaryotes (2-20 µm). De plus, grâce à la haute fréquence des observations, les propriétés physiques, chimiques et biologiques de la zone d’étude on pu être décrites, de la surface jusqu’à 300 m de profondeur, avec une résolution horizontale de l’ordre du kilomètre. La structure étudiée est caractérisée par une remontée d’eau froide au centre de la zone d’étude. Les analyses des nutriments, réalisées en flux continu par l’équipe de chimie marine de la SBR, ont mis en évidence un enrichissement associé à cette remontée. Outre la concentration plus importante en chlorophylle-a (indicateur de l’abondance phytoplanctonique), la cytométrie en flux a mis en évidence des variations importantes de l’abondance des quatre principaux groupes phytoplanctoniques entre le centre de la structure et sa périphérie.

Cette capacité à observer en quasi-temps réel la structure de la communauté phytoplanctonique à une très haute résolution ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension de la dynamique des océans à fine échelle. Il apparaît en effet que ces variations jouent un rôle prépondérant dans le fonctionnement des océans. Bien que mises en évidence dans des études numériques, elles étaient jusque-là largement sous-estimées du fait de l’incapacité à accéder in situ à une si fine échelle spatio-temporelle et simultanément à une gamme de paramètres environnementaux aussi complète. Ces variations observées au sein de la communauté phytoplanctonique sont principalement contrôlées par la circulation océanique à fine échelle. Notre approche multidisciplinaire s’appuyant sur les derniers progrès faits en matière de plateforme d’observation, de développement de capteurs innovant et de stratégie d’observation adaptative s’est donc révélée une avancée majeure pour enfin mieux comprendre ce qui contrôle la diversité des assemblages phytoplanctoniques à très petite échelle.

Variation du volume des picocyanobactéries Prochlorococcus et Synechococcus pendant 24h dans les eaux de surface chaudes situées en périphérie de la structure plus froide.

Enfin, en combinant un suivi lagrangien de la masse d’eau par satellite et une exploitation maximale des capacités du cytomètre automatisé, nous sommes même parvenus à observer les variations de tailles infinitésimales des deux plus abondantes espèces phytoplanctoniques, Procholorococcus et Synechococcus, au cours de la journée (Figure 4 [ICI dipositive5.png]). Ces variations nous apportent de précieuses informations sur leurs taux de croissance et de production primaire, si difficiles à obtenir in situ.

La campagne OSCAHR (Doglioli A. (2015), RV Téthys II, http://dx.doi.org/10.17600/15008800) a été financée par l’Axe Transverse AT_COUPLAGE du MIO (PIs A. Doglioli et G. Grégori) et par les projets suivants : CHROME (PI M. Thyssen, AMIDEX), BIOSWOT (PI F. d’Ovidio, TOSCA/CNES), NeXOS (PI M. Goutx, EU FP7-Research, technological development and demonstration,grant agreement No 614102), SeaQUEST (PI O. Ross, EU FP7-People) et AMICO (PI C. Pinazo, Copernicus – MEDDE).

Nous remercions l’équipage du Tethys II, le personnel de la DT INSU de La Seyne et le groupe MVP de Genavir, en particulier, J. Fenouil. Le MVP et ses capteurs ont été achetés dans le cadre du CETSM Contrat de Projet Etat-Région 2007-2013 en PACA) et de l’ANR FOCEA (ANR-09-CEX-006-01, PIs M. Zhou et F. Carlotti).

Les diatomées : une capacité sous-estimée à stocker le carbone dans l’océan profond

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Les océans, en absorbant une partie du CO2 présent dans l’atmosphère, contribuent à réguler le climat à l’échelle mondiale. Par photosynthèse, les micro-algues des eaux de surface transforment ce CO2 en carbone organique. Celui-ci est ensuite transféré vers l’océan profond où il est séquestré pour plus d’un siècle. Dans ce transfert qui constitue une véritable « pompe biologique de carbone », les diatomées (micro-algues à carapace siliceuse) jouent un rôle essentiel. Une équipe internationale 1, menée par des chercheurs de l’Institut universitaire européen de la mer (UBO, CNRS, IRD), a montré que le transfert de carbone dans l’océan profond dû aux diatomées avait été sous-estimé. Les scientifiques révèlent également que toutes les espèces de diatomées n’ont pas le même potentiel dans ce transfert. Enfin, ils démontrent que les prédictions du devenir des diatomées dans l’océan du futur reposent sur des modèles trop simplifiés du système océan. Cette étude, qui combine des approches novatrices pluridisciplinaires, est parue dans la revue Nature Geoscience, le 18 décembre 2017.

1. Laboratoire des sciences de l’environnement marin (LEMAR, UBO/CNRS /IRD/Ifremer) de l’Institut universitaire européen de la mer (IUEM, UBO/CNRS/IRD), Institut de biologie de l’Ecole Normale Supérieure (IBENS, CNRS/ENS Paris/Inserm), Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE, UVSQ/CNRS/CEA) et Laboratoire d’océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (LOCEAN, UPMC/CNRS/MNHN/IRD) à l’Institut Pierre Simon Laplace (IPSL), Evolution Paris Seine (CNRS/UPMC), Laboratoire d’océanographie de Villefranche (LOV, UPMC/CNRS), Institut méditerranéen d’océanologie (MIO, CNRS/IRD/AMU/Université de Toulon), Massachusetts Institute of Technology (DEAPS), en coopération, la SZN (Italie), la SFSU (Etats-Unis) et la MAU (Canada)..

L’instrument SPHERE révèle les petits mondes rocheux et glacés de notre système solaire

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Ces images ont été prises par l’instrument SPHERE installé au Very Large Telescope (VLT) de l’observatoire de Paranal de l’ESO au Chili. Ces images étonnamment détaillées révèlent quatre astéroïdes de la ceinture principale d’astéroïdes située entre Mars et Jupiter, une région qui sépare les planètes rocheuses du système solaire interne des planètes gazeuses et glacées du système solaire externe.

Les astéroïdes présentés ici sont respectivement (dans le sens des aiguilles d’une montre en partant du haut à gauche) (29) Amphitrite, (324) Bamberga, (2) Pallas et (89) Julie. Nommé d’après la déesse grecque Pallas Athena, (2) Pallas possède un diamètre d’environ 510 kilomètres et il représente environ 7% de la masse de la ceinture principale – si pesant qu’il était classifié auparavant comme une planète.

L’instrument SPHERE révèle les petits mondes rocheux et glacés de notre système solaire
Images prises par l’instrument SPHERE installé au Very Large Telescope (VLT) de l’observatoire de Paranal de l’ESO au Chili.
Crédit: ESO/Vernazza et al

Avec un diamètre environ trois fois plus petit que celui de Pallas, (89) Julie est appelé ainsi en honneur de sainte Julie. Sa composition rocheuse a conduit à sa classification comme un astéroïde de type S. (29) Amphitrite, découvert en 1854, est également un astéroïde de type S. (324) Bamberga, bien qu’étant un des plus gros astéroïdes de type C de la ceinture principale avec un diamètre d’environ 220 kilomètres, ne fut découvert que tardivement en 1892 par Johann Palisa. Aujourd’hui, on pense que les astéroïdes de type C ne se seraient pas formés in situ mais plus vraisemblablement dans le système solaire externe au delà de Jupiter. Ces derniers auraient atterri dans la ceinture principale à la suite de la migration des planètes géantes. Il en découle que ces objets pourraient être riche en glace.

Bien que la ceinture d’astéroïdes est souvent représentée dans la science-fiction comme un endroit de violentes collions, pleine de grandes roches trop dangereuses même pour le meilleur pilote de vaisseau spatial, c’est en fait un endroit peu dense. Au total la ceinture d’astéroïdes ne contient que 4% de la masse de la Lune, dont environ la moitié est contenue dans ses quatre résidents principaux : Cérès, (4) Vesta, (2) Pallas et (10) Hygie.

Ces images collectées ne sont que le début d’une aventure qui va durer deux ans. En effet, les quarante plus gros astéroïdes de la ceinture principale vont être imagés avec SPHERE grâce à un large programme ESO piloté par Pierre Vernazza du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS, Aix-Marseille Université). Ces données permettront de contraindre la densité de ces objets (et ainsi leur structure interne) ainsi que la morphologie de leur surface. Elles permettront à terme de mieux comprendre l’origine de la diversité de la ceinture d’astéroïdes.

Le James Webb Space Telescope (JWST) n’a pas froid aux yeux

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Alors que le James Webb Space Telescope (JWST) sort de la plus grande cuve cryogénique du monde, une étape cruciale pour le télescope et ses instruments a été franchie avec la réussite des tests cryogéniques. Au sein d’un consortium international, la France, en particulier le CEA, le CNRS et le CNES, a joué un rôle clé pour fournir au successeur de Hubble et Spitzer son imageur infrarouge, MIRIM, lui permettant d’obtenir des images dans une gamme de 5 à 28 microns de longueur d’onde.

Une équipe française a participé aux tests en grandeur réelle du James Webb Space Telescope (JWST), le successeur du Hubble Space Telescope. Le JWST est un programme conduit par la NASA auquel participent l’Europe (à travers l’Agence spatiale européenne, l’ESA) et le Canada.

À l’occasion de ces tests cryogéniques qui ont débuté le 22 août et se sont terminés le 26 septembre, le télescope et ses instruments étaient installés dans la gigantesque cuve cryogénique du centre spatial de la NASA à Houston aux États-Unis. C’est la seule cuve au monde d’une taille suffisante pour permettre les tests cryogéniques d’un télescope dont le miroir fait 6,5 mètres de diamètre (en comparaison, le miroir de Hubble ne mesurait que 2,4 mètres de diamètre). Puis, le JWST a été lentement réchauffé et remis sous pression pour permettre la réouverture de la cuve.

À l’intérieur de la cuve, la température est abaissée jusqu’à – 253°C. Elle est également équipée d’un « simulateur d’étoiles », un dispositif constitué d’une fibre optique infrarouge qui permet de vérifier la bonne qualité optique et l’alignement du miroir du JWST en confrontant les images obtenues à celles attendues par la simulation. Les tests ont montré le bon alignement optique entre le télescope et les instruments, point clef pour atteindre les performances attendues. C’est la première fois que l’ensemble, télescope et instruments, était testé. Les instruments avaient déjà été testés préalablement, mais indépendamment du télescope, lors d’une série de 3 tests cryogéniques réalisés au cours des années 2013 – 2016 dans une cuve plus petite au centre de vol spatial Goddard de la NASA, à Greenbelt (Maryland, États-Unis). « Plusieurs laboratoires français, ont fortement contribué à l’un des quatre instruments qui équipent le JWST, l’instrument MIRI (Mid-InfraRed Instrument) et plus précisément à son imageur appelé MIRIM », explique Anne Peyroche, présidente du CNRS. Ce sont les laboratoires Lesia (Observatoire de Paris-CNRS-UPMC -Université Paris Diderot), LAM (CNRS-AMU), IAS (CNRS-Université Paris Sud) et AIM (CEA-CNRS-Université Paris Diderot), sous la maîtrise d’œuvre CEA (via son Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers) et maîtrise d’ouvrage CNES.

« Allô Houston » : D’Apollo au JWST La cuve à Houston, qui accueille le JWST pour ces tests cryogéniques, présente également une riche histoire scientifique et une forte valeur symbolique quant à l’avancée des sciences et techniques humaines. Cette « chambre A » du Johnson Space Center de la NASA fut en effet initialement développée dans le cadre du programme Apollo. Elle a été profondément réaménagée pour permettre de reproduire les difficiles conditions environnementales que le JWST va rencontrer une fois dans l’espace. Les experts français du CEA et du CNRS viennent de participer à la série de tests qui a eu lieu dans cette cuve.

Aujourd’hui, ce voyage n’est pas encore terminé. Prochaine étape, la Californie où le télescope sera équipé de ses boucliers thermiques puis le tout sera mis en place sur la plateforme du satellite. L’ensemble prendra alors la mer jusqu’à Kourou, en Guyane Française. C’est ici que Jean-Yves Le Gall, président du CNES, maître d’ouvrage du MIRI, donne « rendez-vous à ce télescope, dont la réussite des tests cryogéniques illustre à nouveau l’efficacité des coopérations internationales dans le domaine du spatial, pour son dernier voyage où il sera lancé au printemps 2019 par un lanceur Ariane 5. » Le JWST atteindra alors enfin sa destination, au point de Lagrange L2 situé à 1,5 million de km de la Terre, soit environ 4 fois plus éloigné de la Terre que ne l’est la Lune. « En cas de problème, il ne sera donc évidemment pas question d’envoyer une équipe le réparer, comme cela a pu être le cas pour Hubble 1. C’est pourquoi les ultimes tests menés par nos experts français sur le JWST et ses instruments sont si importants », souligne Daniel Verwaerde, administrateur général du CEA, maître d’œuvre de MIRIM.

Le James Webb Space Telescope (JWST) n’a pas froid aux yeux Le JWST à l’intérieur de la Chambre A du Johnson Space Center à Houston. Crédit : NASA/Chris Gunn
1. Hubble est en orbite autour de la Terre à une altitude de seulement 590 km.

2 mois en mer pour explorer la contribution de l’océan Austral à la régulation du climat

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Mieux comprendre la séquestration du CO2 atmosphérique dans l’océan, en particulier la manière dont des éléments chimiques essentiels à ce stockage sont apportés, transportés et transformés par les océans : voici l’objectif de l’expédition océanographique Swings. Du 11 janvier au 8 mars 2021, une équipe coordonnée par deux chercheuses du CNRS et impliquant notamment des collègues de Sorbonne Université, de l’Université Toulouse III – Paul Sabatier, de l’Université de Bretagne Occidentale et d’Aix-Marseille Université, parcourra, à bord du Marion Dufresne II affrété par la Flotte océanographique française, l’océan Austral à la découverte de ses secrets.

L’océan Austral, qui entoure le continent antarctique, au sud des océans Atlantique, Pacifique et Indien, est une région lointaine, agitée, difficile à explorer. Il joue un rôle important mais complexe pour le captage et le stockage du CO2 atmosphérique. De nombreux facteurs sont en effet à prendre en compte, de l’activité biologique (la photosynthèse en surface, « l’export » de matière carbonée vers les abysses, sa séquestration dans les sédiments) à la circulation océanique.

Appréhender ces processus nécessite de les quantifier, ce qui est possible grâce à la mesure d’éléments dits « géochimiques » (silice, nitrate, fer, zinc, mais aussi par exemple thorium, radium et terres rares). La grande majorité de ces « traceurs » sont présents en concentrations infimes dans l’eau de mer.

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Le Marion Dufresne II naviguant dans l’océan Austral.
Crédit : Fred PLANCHON / UBO-LEMAR

L’expédition océanographique Swings 1, qui débutera le 11 janvier et impliquera 48 scientifiques, s’inscrit ainsi dans le programme mondial Geotraces qui construit depuis 2010 un atlas chimique des océans, compilant notamment les données décrivant les cycles biogéochimiques de ces éléments « traceurs » et de leurs isotopes dans les différents océans du globe. Ces données sont acquises selon des protocoles très stricts, comparées et validées entre les différents pays et mises à disposition dans une banque de données ouverte. C’est la première fois qu’une campagne en mer aussi détaillée que Swings est menée dans l’océan Austral. Son objectif est de déterminer l’origine (atmosphérique, sédimentaire, hydrothermale, etc.) de ces éléments dont certains exercent un rôle crucial dans l’activité photosynthétique du phytoplancton (le fer et le zinc par exemple). Les scientifiques étudieront notamment leurs transformations physique, chimique et biologique, à toutes les profondeurs de l’océan Austral ainsi que leur devenir in fine : descente dans les abysses et stockage dans les sédiments 2.

Outre les scientifiques du projet Swings, l’équipe du service d’observation Oiso, qui évalue la part de CO2 issue des émissions anthropiques et l’acidification des eaux qui en résulte, embarquera sur le Marion Dufresne II durant cette expédition. Un autre programme de suivi temporel de données, Themisto, est prévu pour étudier les écosystèmes de haute-mer. Enfin, un troisième projet (MAP-IO) s’appuiera sur la plateforme du navire pour effectuer, entre autres, des mesures physiques de la distribution des aérosols et de gaz traces. La coopération scientifique est ainsi au coeur de cette nouvelle expédition, avec ces trois projets complémentaires des objectifs de Swings.

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Le Marion Dufresne II au large de l’archipel Crozet.
Des manchots royaux sont visibles au premier plan.

Crédit : Fabien PERAULT/ CNRS/ IPEV

Les laboratoires impliqués dans le projet Swings sont :

  • Laboratoire des sciences de l’environnement marin (CNRS/Ifremer/IRD/Université de Bretagne occidentale)
  • Laboratoire d’études en géophysique et océanographie spatiales (CNRS/Cnes/IRD/Université Toulouse III – Paul Sabatier)
  • Laboratoire de météorologie dynamique (CNRS/ENS-PSL/École polytechnique-Institut Polytechnique de Paris/Sorbonne Université) 3
  • Laboratoire d’océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (CNRS/IRD/MNHN/Sorbonne Université 3
  • Centre européen de recherche et d’enseignement de géosciences de l’environnement (CNRS/Inrae/IRD/Aix-Marseille Université)
  • Laboratoire d’océanographie microbienne (CNRS/Sorbonne Université)
  • Institut méditerranéen d’océanologie (CNRS/IRD/Université de Toulon/Aix-Marseille Université)
  • Laboratoire Climat, environnement, couplages et incertitudes (CNRS/Cerfacs)
  • Division technique de l’INSU du CNRS Cette expédition a été financée par l’ANR, par la Flotte océanique française opérée par l’Ifremer, par l’Institut national des sciences de l’univers du CNRS et par l’école universitaire de recherche IsBlue. Elle est soutenue par l’université fédérale de Toulouse Midi-Pyrénées et l’Université de Bretagne Occidentale.

Voir en ligne : Le communiqué de presse sur le site du CNRS

1. Pour South West Indian Geotraces Section
2. L’équipe effectuera notamment des carottages le long de la côte sud-africaine, autour des îles Marion, Crozet et Kerguelen et dans des zones plus profondes. La très faible teneur en éléments chimiques recherchés dans l’océan rend leur analyse ardue, les échantillons prélevés devant être protégés de toutes contaminations venant de la rouille et des cheminées du bateau voire des scientifiques en personne eux-mêmes.
3. Ces laboratoires font partie de l’Institut Pierre Simon Laplace.

Vents et jets découverts sur Luhman 16 AB, la naine brune la plus proche de la Terre

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Une équipe de recherche internationale a trouvé des bandes et des rayures sur Luhman 16 AB, la naine brune la plus proche de la Terre, manifestations des processus qui agitent son atmosphère de l’intérieur.

Les naines brunes sont des objets célestes mystérieux qui ne sont ni tout à fait des étoiles ni tout à fait des planètes. Elles ont à peu près la taille de Jupiter mais sont généralement des dizaines de fois plus massives. Elles restent toutefois moins massives que les plus petites étoiles, de sorte que la pression dans leurs noyaux n’est pas suffisamment élevée pour fusionner les atomes comme le font les étoiles. Les naines brunes sont chaudes au moment de leur formation, puis se refroidissent progressivement. Elles brillent faiblement et leur luminosité diminue tout au long de leur vie, ce qui les rend difficiles à détecter.

En utilisant des techniques innovantes et des données collectées par le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, l’équipe de recherche internationale a constaté que les naines brunes ressemblent étrangement à Jupiter – avec ses rayures plutôt que des taches. Les motifs dans leurs atmosphères révèlent des vents à grande vitesse, parallèles aux équateurs des naines brunes, semblables aux jet-streams terrestres. Ces vents mélangent l’atmosphère, redistribuent la chaleur qui se dégage de l’intérieur d’une naine brune.

La configuration des vents et la circulation atmosphérique à grande échelle ont souvent des effets profonds sur l’atmosphère planétaire, du climat de la Terre à celui de Jupiter, et nous savons maintenant que ces jets atmosphériques à grande échelle façonnent également l’atmosphère des naines brunes. Comprendre comment les vents soufflent et redistribuent la chaleur dans l’une des naines brunes les mieux étudiées et les plus proches de la Terre nous aide à comprendre les climats, les températures extrêmes et l’évolution des naines brunes de manière générale.

L’équipe espère explorer davantage les nuages, les systèmes de tempêtes et les zones de circulation présents dans les naines brunes et les planètes extrasolaires afin d’approfondir notre compréhension des atmosphères au-delà du Système solaire.