Ressources - OSU Institut Pytheas

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Cap sur les fronts marins

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Omniprésents dans l’océan mais difficilement accessibles en tant que phénomènes ponctuels de petite échelle, les fronts ont un impact sur le climat de la planète. Des chercheurs de l’Institut méditerranéen d’océanologie (MIO/PYTHÉAS, CNRS / Université d’Aix-Marseille / Université de Toulon / IRD) et du Laboratoire d’océanographie et du climat expérimentation et approches numériques (LOCEAN/IPSL, UPMC / CNRS / MNHN / IRD) ont mis en place une stratégie adaptée pour approcher un front lors d’une campagne océanographique qui s’est déroulée dans le golfe du Lion. Ils ont ainsi pu repérer et étudier précisément les mouvements en surface d’un front d’une largeur de 1 à 4 km, un travail de mesures in situ rarement effectué sur de tels phénomènes.

Avec le développement des modèles climatiques à large échelle, le rôle des échanges d’eaux océaniques dans la régulation du climat est de mieux en mieux connu. Cependant, ces échanges se produisant au niveau des structures de petite échelle que sont les fronts, il n’est possible de bien les appréhender qu’en travaillant à cette petite échelle. Depuis une dizaine d’années, l’augmentation de la puissance des moyens de calcul a favorisé l’émergence de modèles numériques régionaux de haute résolution, capables de rendre compte des phénomènes de petite échelle et de leur rôle dans les transports d’énergie et de matière, ce qui a permis d’améliorer la compréhension de la dynamique de sub-mesoéchelle. Toutefois, pour que le rôle des fronts soit pris en compte dans les modèles climatiques prédictifs à grande échelle, il est nécessaire de quantifier des paramètres clés à l’aide de mesures in situ, ce qui reste un véritable défi, les fronts étant par essence chaotiques, aléatoires et évanescents.

Afin de relever ce défi, plusieurs laboratoires se sont mobilisés pour organiser la campagne océanographique LATEX10  1 qui s’est déroulée dans le golfe du Lion à bord du Téthys II, du 7 au 24 septembre 2010. L’objectif de cette campagne était d’évaluer un coefficient représentatif de la dispersion et du mélange des eaux dus aux écoulements turbulents au niveau d’un front, coefficient qui impacte la dynamique et la régulation des processus biologiques ainsi que les flux de carbone vers l’océan profond.

Une stratégie adaptée, basée sur une observation intense et continue du golfe du Lion combinant données satellitaires, données issues des modèles régionaux et mesures in situ, a été mise en place pour repérer les écoulements turbulents. Les informations émises par les vigiles satellitaires  2 parvenaient en temps quasi réel aux scientifiques embarqués et étaient traitées aussitôt. Ces calculs immédiats amenaient à programmer des changements de cap toutes les six heures afin de diriger le bateau vers la zone d’écoulement turbulent. Une fois le front atteint, les informations renvoyées par les différents capteurs de température et salinité installés sur le navire ainsi que par les bouées dérivantes lâchées dans la zone étaient traitées à bord, mixées aux modèles prévisionnels et aux données satellitaires, pour redéfinir une nouvelle stratégie d’approche du front.

Cette stratégie s’est avérée fructueuse. Elle a permis aux scientifiques de repérer un front d’une largeur de 1 à 4 km et d’étudier d’une façon précise les mouvements créés en surface. En revanche, l’activité en profondeur au niveau du front n’a pu être prise en compte avec l’instrumentation utilisée, car les capteurs altimétriques dont sont équipés les satellites actuels ne sont capables de sonder les courants sous la surface qu’avec une résolution de plusieurs dizaines de kilomètres, ce qui est insuffisant pour travailler à l’échelle des fronts.

Pour étudier l’activité en profondeur, un profileur à la pointe du progrès, le Moving Vessel Profiler (MVP), sera utilisé lors des futures campagnes SeaGoLSWOT. Organisées en collaboration avec la NASA et le CNES, ces campagnes viendront en support de la mission SWOT/AirSWOT, dont l’objectif est le développement d’un capteur satellitaire altimétrique de nouvelle génération à très haute résolution qui devrait permettre de déterminer avec plus de précision la dynamique de fronts, même près des côtes. Outre leur importance en océanographie et en climatologie, de telles recherches peuvent aussi aider à appréhender des phénomènes tels que la dispersion des polluants dans les eaux océaniques ou la sécurité en mer.

1. Cette campagne s’inscrit dans le cadre du programme LATEX financé par LEFE/IDAO – CYBER et la Région PACA. Ce programme vise à caractériser et quantifier les transferts de matière entre la côte et le large dans la partie ouest du talus continental du golfe du Lion (Méditerranée occidentale), en liaison avec les processus hydrodynamiques.
2. Les informations satellitaires utilisées étaient la température de surface et la couleur de l’eau, cette dernière informant sur l’activité biogéochimique de la masse d’eau, dont les variations brusques et simultanées permettent de localiser les fronts.

Une exoplanète qui joue à cache-cache avec les astronomes

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Une équipe d’astronomes européens 1, dont des chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université), a confirmé la présence d’une planète « invisible », grâce au spectrographe SOPHIE 2 installé sur le télescope de 1,93m de l’Observatoire de Haute-Provence. Cette planète, Kepler-88 c, avait été prédite grâce à la perturbation gravitationnelle qu’elle cause sur sa planète voisine, Kepler-88 b. Ce résultat est publié aujourd’hui dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Pendant les quatre années de sa mission, le télescope spatial Kepler 3 a trouvé plus de 3500 transits planétaires sur des centaines de milliers d’étoiles étudiées. Cependant, toutes les planètes situées dans le champ de vue de Kepler ne passent pas devant leur étoile hôte. En effet, si le plan de leur orbite est légèrement incliné (quelques degrés suffisent) par rapport à la direction de la Terre, la planète n’occulte pas l’étoile. Elle est donc « invisible » pour Kepler.

Figure 1
Vue d’artiste du système Kepler-88 b. Image de fond : ESO / S. Brunier
Crédit : Alexandre Santerne (CAUP)
Figure 2
Photo de la coupole du télescope de 1,93m de l’Observatoire de Haute-Provence (France) qui utilise le spectrographe SOPHIE, avec le champ de vue de Kepler.
Crédit : Alexandre Santerne (CAUP)

Des planètes en orbite autour d’une même étoile interagissent gravitationnellement les unes avec les autres. Dans ces systèmes à plusieurs planètes, cette interaction cause des perturbations dans les temps auxquels se produisent les transits planétaires 4. Ce phénomène est appelé variations des temps de transit ou TTV. La technique des TTV est sensible à des planètes aussi petites que la Terre et permet de mettre en évidence les perturbations gravitationnelles dans les systèmes planétaires. C’est le cas du système Kepler-88 autour duquel le télescope spatial Kepler a détecté une planète en transit (Kepler-88 b). Cette planète est si fortement perturbée par une autre planète qui elle ne transite pas, que ce système a gagné le surnom de Roi des variations de temps de transit.

Une analyse précédente 5 a prédit que ce système devrait être composé d’une paire de deux planètes proches de la résonance deux:un (i.e. la période orbitale de la planète externe est exactement deux fois plus longue que celle de la planète interne). Cette configuration orbitale est la même que celle entre la Terre et Mars dans le système solaire, Mars orbitant autour du Soleil en près de 2 ans. En utilisant le spectrographe SOPHIE, une équipe européenne d’astronomes a réussi à mesurer directement, grâce à la méthode des vitesses radiales 6, la masse de la planète invisible Kepler-88 c.

C’est la première fois que la masse d’une exoplanète invisible, déduite de la variation de temps de transit est confirmée indépendamment par une autre technique. Ce résultat valide donc la technique des TTV pour détecter des planètes invisibles et explorer les systèmes multiplanètes. Cette technique a été utilisée pour déterminer la masse de plus de 120 exoplanètes détectées par Kepler dans 47 systèmes planétaires, jusqu’à des planètes à peine plus massives que la Terre. Il aide à mieux comprendre les interactions dynamiques et la formation de systèmes planétaires. Cela permet aussi d’anticiper l’exploration future de nouveaux systèmes exoplanétaires depuis l’espace comme pourra le faire le télescope PLATO 7.

1. L’équipe est composée de S. C. C. Barros (LAM), R. F. Díaz (LAM/Observatoire Genève), A. Santerne (CAUP/LAM), G. Bruno (LAM), M. Deleuil (LAM), J.-M. Almenara (LAM), A. S. Bonomo (INAF – Osservatorio Astronomico di Torino), F. Bouchy (LAM), C. Damiani (LAM), G. Hébrard (IAP/OHP), G. Montagnier (IAP/OHP) et C. Moutou (CFHT/LAM). Les observations ont été financées grâce au Programme National de Planétologie du CNRS-INSU.
2. SOPHIE (Spectrographe pour l’Observation des Phénomènes des Intérieurs stellaires et des Exoplanètes, or Spectrograph for Observation of phenomena of stellar interiors and Exoplanets) est un spectrographe à haute résolution permettant de mesurer la vitesse radiale des étoiles avec une précision de 1m/s. Il est installé sur le télescope de 1,93 mètre de l’Observatoire de Haute-Provence, le même télescope avec lequel, en 1995, Michel Mayor et Didier Queloz ont détecté la première planète autour d’une autre étoile que le Soleil.
3. Le Télescope Spatial Kepler (NASA) a été lancé le 5 mars 2009 pour observer continuellement 150 000 étoiles dans la région de la constellation du Cygne. L’un des objectifs principaux de cette mission était de détecter des transits d’exoplanètes. À cause de problèmes techniques, cette mission a été interrompue prématurément le 15 août 2013.
4. La méthode des transits planétaires consiste à mesurer la diminution de luminosité des étoiles quand une planète passe devant le disque stellaire (comme une micro éclipse de Soleil). Avec cette méthode des transits, il est possible de mesurer le rayon des planètes, mais pas leur masse. Cette méthode est compliquée à utiliser, parce qu’elle nécessite que la planète et l’étoile soient parfaitement alignées avec l’observateur.
5. Nesvorny et al., KOI-142, the King of Transit Variations, is a Pair of Planets near the 2:1 Resonance, The Astrophysical Journal, Volume 777, (2013)
6. La méthode des vitesses radiales détecte des exoplanètes en mesurant les petites variations dans la vitesse (radiale) de l’étoile, à cause du mouvement reflex que l’exoplanète induit sur l’étoile. La variation de vitesse radiale de la Terre sur le Soleil est d’environ 10 cm/s, soit 0,36 km/h. Avec cette méthode, il est possible de déterminer la masse minimale des planètes.
7. PLATO est une mission candidate M3 du programme « Cosmic Vision » de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), dont le but est de rechercher d’autres Terres en transit devant des étoiles voisines du Soleil : http://sci.esa.int/plato/

Comment le myrte a survécu dans les montagnes-refuges du Sahara ?

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Cousin du myrte commun de Méditerranée, le myrte de Nivelle subsiste depuis 1 million d’années en plein cœur du Sahara. Grâce aux travaux de l’Institut Méditerranéen de Biodiversité et d’Ecologie marine et continentale à Marseille (IMBE – CNRS/Université Aix-Marseille/IRD/Université d’Avignon), on en sait plus aujourd’hui sur la façon dont cette plante a fait face à la succession d’épisodes climatiques humides puis arides qui ont marqué l’histoire de la région.

C’est une plante arbustive qu’on trouve exclusivement dans les massifs montagneux du Sahara central. Arrivée il y a 1 million d’années des rives méditerranéennes à la faveur d’un des nombreux épisodes humides qui ont jalonné l’histoire de ce désert, le myrte de Nivelle survit depuis dans ces forteresses de pierre séparées de plusieurs centaines de kilomètres. Pour percer le secret de cette longévité, des chercheurs de l’Institut Méditerranéen de Biodiversité et d’Ecologie marine et continentale de Marseille (CNRS/Université Aix-Marseille/IRD/Université d’Avignon) se sont livrés à une vaste étude génétique dont les résultats sont publiés ces jours-ci dans PLOS ONE. « Au total, 215 échantillons de myrte récoltés dans trois massifs du sud algérien – Hoggar, Tassili n’Ajjer et Tassili n’Immidir – ont été analysés » détaille Jérémy Migliore, le premier auteur de l’article, post-doctorant à l’Institut Méditerranéen de Biodiversité et d’Ecologie marine et continentale (IMBE).

Le myrthe de Nivelle
Présent dans les seuls massifs montagneux du Sahara, le myrte de Nivelle a fait preuve d’une remarquable capacité de survie face aux changements climatiques successifs.
Crédit : Jérémy Migliore

Première découverte : les myrtes de chaque massif constituent des groupes génétiques bien distincts, une différenciation due à l’isolement de ces massifs durant les périodes arides. Quelques individus, notamment du Tassili n’Ajjer, sont néanmoins proches de ceux du Hoggar, n’excluant pas d’anciennes connexions durant les épisodes pluviaux – une hypothèse renforcée par les pollens fossiles qui suggèrent une distribution du myrte beaucoup plus étendue lors des deux dernières périodes humides. « Lorsque les conditions sont réunies, la plante fait preuve d’un remarquable dynamisme », commente le chercheur.

Mais les capacités de réponse du myrte du Sahara vont bien au-delà : les chercheurs ont en effet eu la surprise de découvrir une cinquantaine de clones – des individus au profil génétique rigoureusement identique – parmi leurs échantillons ! Preuve que la plante utilise le clonage pour se reproduire, en plus de la reproduction sexuée par pollinisation et essaimage des fruits par les oiseaux : arrachés par le vent ou les crues violentes des oueds, certains morceaux de plante vont faire racine un peu plus loin. « Cette stratégie qu’on ne retrouve pas chez le myrte commun de Méditerranée augmente les chances de reproduction dans des environnements difficiles », explique Jérémy Migliore. Des découvertes rassurantes, qui confirment que les plantes ne sont pas sans ressources face aux bouleversements climatiques actuels.

 

Des grappes de forts séismes observés sur 7 failles d’Italie centrale aux mêmes périodes préhistoriques

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Une équipe française vient de dater les forts séismes survenus, au cours des derniers 12 000 ans, sur sept failles actives de la région de l’Italie centrale par la méthode du chlore 36 (36Cl). Cette étude révèle un comportement inattendu de cet ensemble de failles où 30 forts séismes se sont produits en salves synchrones. Elle suggère de plus de nouvelles pistes pour anticiper la magnitude et la période d’occurrence à 100/200 ans près des prochains grands séismes. Cette étude est parue le 6 septembre en ligne dans Journal of Geophysical Research.

Depuis plusieurs décennies, les géologues étudient le passé des failles actives pour tenter de déterminer « l’intensité » (i.e., la magnitude) et le temps de retour des plus forts séismes que ces failles ont produits, et produiront donc encore.

C’est à une étude de ce type que se sont livrés les auteurs de l’article dans la région sismique de l’Italie centrale, où s’est produit le séisme meurtrier de l’Aquila en 2009. Sept failles ont été identifiées pour cette étude. La méthode novatrice qu’ils ont utilisée a consisté à dater le temps d’exposition à l’air libre de roches carbonatées par le dosage du nucléide cosmogénique 36Cl. En effet, lorsqu’un séisme se produit, dans le cas notamment de failles normales où un bloc se soulève par rapport à un autre, des roches sont mises brutalement à nu. Elles deviennent exposées à l’air et soumises au rayonnement cosmique. L’interaction entre les particules très énergétiques du rayonnement cosmique, en particulier les neutrons et des muons, et le calcium (Ca) contenu dans les roches carbonatées entraîne la production de 36Cl. Les spécialistes peuvent ainsi dater un fort séisme en mesurant la durée de l’exhumation des roches par le dosage du 36Cl qu’elles contiennent en surface, et déterminer les déplacements produits par le séisme en mesurant la surface exhumée.

Plus de 800 mesures chimiques du 36Cl ont ainsi été réalisées sur des accélérateurs nationaux (ASTER – CEREGE ) et américains (Lawrence Livermore, CA) permettant de documenter de façon très précise les âges et déplacements de plus de 30 forts séismes s’étant produit au cours des derniers 12 000 ans dans la région de l’Aquila. Ces résultats sont sans précédent car ils constituent les plus longs enregistrements de forts séismes passés jamais obtenus à ce jour dans le monde.

La plupart de ces forts séismes se sont produits de façon synchrone sur toutes les failles analysées, pourtant généralement distantes de plusieurs dizaines de km. Les forts séismes se sont par ailleurs répétés en grands cycles pluri-événements, alternant des phases sans séisme relativement longues (pas ou ≈ 1 événement pendant 3000-4000 ans) et des phases d’activité sismique paroxysmale voyant la succession de 3 à 5 forts séismes sur une même faille dans une période de temps très courte de l’ordre de 1000 ans.

Sur chaque faille, le déclenchement des phases paroxysmales semble avoir été contrôlé par un niveau-seuil de déformation atteint sur la faille. Par ailleurs, la quantité de déformation relative accumulée sur une faille à un instant donné semble contrôler la taille du prochain fort séisme, c’est–à-dire l’amplitude de déplacement produit et donc sa magnitude, ainsi que sa date d’occurrence. C’est la première fois qu’un tel contrôle est déterminé. Ce résultat est extrêmement important car il met en avant un comportement de failles qui pourrait peut-être permettre d’anticiper la magnitude (Mw à ± 0.1-0.2 près) et la date d’occurrence, à ± 100-200 ans près, du prochain fort séisme à venir sur une faille donnée.

Ce travail a été mené grâce au soutien de l’ANR (programme CATELL 2006), dans le cadre du projet QUAKonSCARPS coordonné par I. Manighetti et qui a fédéré 5 laboratoires nationaux -Isterre (porteur du projet ANR), Cerege, IPGP, Montpellier II, et Géoazur.

L’odyssée de l’arbre de fer

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Pour restituer et comprendre l’histoire biogéographique des plantes et des écosystèmes en général, les chercheurs s’intéressent à une multitude de restes végétaux (feuilles fossiles, grains de pollen, fruits, graines) qui sont souvent très bien conservés dans les sédiments. Ils s’accumulent dans les bassins sédimentaires d’où ils peuvent être extraits et analysés des millions d’années plus tard, une approche essentielle de la paléoécologie. Parmi les restes végétaux, les grains de pollen ont mis en lumière la diminution importante de la biodiversité végétale en Europe au cours des cinq derniers millions d’années. En effet, la morphologie du pollen permet d’identifier la plante qui l’a produit, le plus souvent jusqu’au niveau du genre.

Pourtant, une équipe internationale est parvenue à différencier les deux espèces actuelles du même genre Parrotia, ce qui constitue une avancée capitale.

En effet, le Parrotie de Perse, encore appelé Arbre de fer (Parrotia persica C.A.Mey) fut pendant des décennies considéré comme la seule espèce du genre. Aujourd’hui cette espèce est endémique de la forêt hyrcanienne (sud de la mer Caspienne) mais fut autrefois très répandue sur le continent européen. Les pollens de Parrotia trouvés dans les archives sédimentaires étaient automatiquement affiliés à P. persica. Cela signifie également que tous les paramètres écologiques de P. persica étaient transposés dans les restitutions paléoécologiques. À vrai dire les pollens fossiles sont morphologiquement très proches en microscopie optique de ceux de l’espèce P. persica et il en va de même pour les feuilles fossilisées. Mais voici une dizaine d’années que l’existence d’une autre espèce, Parrotia subaequalis (Hung T. Chang) R.M.Hao & H.T. Wei, a été mise en évidence en Chine à plus de 600 km de la forêt caucasienne.

Les feuilles ont été étudiées en premier avec des conclusions sans appel : les feuilles, à bords lisses, du Parrotie de Perse sont aisément distinguables de celles de son cousin chinois aux bords dentés. Notre étude met en lumière des différences morphologiques significatives entre les grains de pollens des deux espèces en microscopie électronique à balayage, appuyées par une différenciation biométrique. Ces différences morphologiques ont été décelées dans le registre fossile, les spécimens antérieurs à 15 millions d’années paraissant attribuables au Parrotie chinois alors que les spécimens plus récents s’apparentent au Parrotie persan, ce qui ouvre de nouvelles perspectives de recherche sur le matériel pollinique fossile abondamment disponible.

Cette étude illustre combien notre connaissance de la biodiversité des forêts est encore incomplète. Sachant que les forêts européennes étaient plus riches avant les glaciations, il apparaît que leur richesse passée reste sous-estimée. Aujourd’hui, ces aires de répartition résiduelles minuscules comme la forêt hyrcanienne, sont des puits de connaissance inestimables et leur préservation est cruciale pour éclairer le passé de nos forêts afin d’anticiper leur devenir.

Le cas de Parrotia n’est certainement pas une exception et la variabilité dans le temps de nombreux autres taxons végétaux restent encore à approfondir. Ces études visent inexorablement à clarifier l’évolution de la diversité végétale sur notre le continent européen.

Voyage au cœur d’un cratère d’impact dans l’Arctique canadien

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Trois chercheurs du CEREGE (CNRS, Université d’Aix-Marseille), J. Gattacceca, Y. Quesnel et P. Rochette, reviennent d’une expédition dirigée par G. Osinski (Western University de London, Canada) sur l’île de Devon, la plus grande île déserte du monde (latitude 75,3 N) située dans la province du Nunavut (Canada). Il s’agissait pour l’équipe du CEREGE, financée par l’IPEV et l’INSU-CNRS, de comprendre l’origine d’une anomalie géophysique inhabituelle située exactement au centre du cratère d’impact de Haughton, d’un diamètre de 23 km et d’un âge de 39 millions d’années. Les participants canadiens ont travaillé, quant à eux, sur les méthodes de spectroscopie de terrain des roches impactées, en vue de valider les protocoles de mesures des sondes spatiales, tandis que l’astronaute de l’Agence Spatiale Canadienne Jeremy Hansen se formait à la géologie dans des conditions approchant les surfaces lunaires ou martiennes.

Lors d’une mission précédente en 2010, l’anomalie avait été précisée à l’échelle kilométrique (cf schéma). Elle associe une anomalie magnétique positive, indiquant la présence de roches plus aimantées que l’entourage, et d’une anomalie gravimétrique négative, indiquant la présence de roches moins denses. La modélisation suggère que le corps magnétique pouvait être très proche de la surface. Une telle combinaison d’anomalies n’avait jamais été observée au centre de cratères terrestres. L’impact d’Haughton, sur des roches carbonatées, se caractérise par une formation bréchifiée (débris de roches cimentés) et fondue très développée, ainsi que par un fort hydrothermalisme dû à la circulation de fluide chaud induite par l’impact. La mission 2013 (14 au 27 juillet) s’est focalisée sur la partie la plus superficielle de l’anomalie, d’une dizaine de mètres de large, dans le but d’obtenir des échantillons du matériel à son origine. Il a fallu d’abord localiser précisément cette anomalie par cartographie du champ magnétique et tomographie électrique à haute résolution, puis forer jusqu’à 13 mètres de profondeur pour retrouver la roche a priori responsable de l’anomalie, sous le permafrost et les sédiments glaciaires. Le matériel a été transporté sur la zone d’étude en petit avion (Twin Otter) à partir de la base de Resolute Bay, puis quad. La profondeur atteinte avec un matériel de forage de moins de 300 kg au total était une gageure. Les échantillons rapportés font partie de la formation de brèche d’impact fondue mais présentent une altération hydrothermale à première vue bien différente par la coloration et l’abondance de gypse de celle des brèches entourant l’anomalie. L’étude de ces échantillons au CEREGE, confrontée aux données géophysiques, va permettre de préciser les processus complexes se produisant au centre d’un cratère d’impact, et par exemple aider à comprendre les minéralisations associées aux impacts.

Voir en ligne : Retrouver cette annonce de presse de l’INSU-CNRS et les photos de la campagne sur le site de l’INSU