La frontière entre l’océan et l’atmosphère, où l’air et la mer interagissent, est connue sous le nom de microcouche de surface de la mer. Comprendre comment les nutriments, les polluants et la matière organique sont échangés entre l’air et la mer est également essentiel pour mieux comprendre le rôle qu’ils jouent dans la régulation des cycles du carbone et du climat.
Le problème, cependant, est que l’étude de la microcouche de la surface de la mer est une entreprise extrêmement chronophage qui peut présenter de nombreux défis.
Pour mieux comprendre les interactions air-mer des constituants biogéochimiques importants tels que les gaz et différentes particules, des chercheurs de l’Université du Delaware et de l’Université de Géorgie (UGA) ont récemment mené une croisière de recherche à bord du navire de recherche Hugh R. Sharp de l’UD pour étudier la microcouche de surface de la mer dans l’océan Atlantique Nord.
L’équipe de recherche avait déjà effectué deux croisières qui avaient été interrompues en raison de conditions météorologiques orageuses et de la pandémie de COVID-19.
Andrew Wozniak, professeur associé à l’École des sciences marines et de politique (SMSP), est le chef du projet UD tandis que le chef du projet pour l’UGA est Amanda Frossard, professeur associé au Département de chimie de l’UGA.
Wozniak a déclaré que la microcouche de la surface de la mer est un microenvironnement unique.
« Il accumule de la matière organique d’un certain type, puis il atteint l’interface air-mer et s’y accumule, ce qui crée des propriétés physiques intéressantes qui influencent l’échange de matières dans les deux sens », a déclaré Wozniak.
« Nous avons pensé que si nous pouvions mieux comprendre comment la chimie de la matière organique change dans l’espace et le temps en raison des processus et de la biologie océaniques, nous comprendrions mieux comment ces gaz s’échangent et comment les particules émises dans l’atmosphère peuvent influencer la chimie atmosphérique. »
Frossard a expliqué que l’équipe de recherche s’intéresse à l’étude de ce qu’on appelle les tensioactifs, des composés qui réduisent la tension superficielle d’un liquide comme l’eau de mer et qui s’accumulent dans les eaux de surface et la microcouche de surface de la mer en raison de leur affinité pour les surfaces et les interfaces, comme les bulles montantes dans l’océan.
L’un des principaux objectifs du projet est d’observer et de mieux comprendre ces tensioactifs.
« Nous voulons comprendre quels sont les tensioactifs présents dans l’océan, comment ils se répartissent dans la microcouche et ce qui affecte leur concentration et leur composition », a déclaré Frossard. « Nous collectons des échantillons ici, dont certains sont traités à bord du navire, mais nous les ramenons tous au laboratoire pour effectuer différentes analyses.
« Nous utiliserons ces résultats pour comprendre la microcouche de la surface de la mer et mieux comprendre les échanges gazeux air-mer ainsi que l’émission de particules de l’océan dans l’atmosphère. »
Panneaux de verre
L’étude de la microcouche de surface de la mer n’est pas chose aisée. Comme l’ont montré les précédentes campagnes qui ont rencontré des complications imprévues, le travail océanographique exige de la persévérance au milieu d’une mer de défis.
Pour l’expérience, les chercheurs à bord du navire ont effectué une série d’analyses biologiques et chimiques, ce qui nécessite beaucoup de matériel.
La microcouche superficielle est incroyablement fine, de l’ordre de 100 micromètres d’épaisseur, soit environ l’épaisseur d’une feuille de papier. L’une des méthodes utilisées par les chercheurs pour recueillir le matériau consiste à plonger une plaque de verre dans l’eau, puis à utiliser une raclette pour racler l’eau qui a adhéré à la plaque dans une bouteille.
« Comme vous pouvez l’imaginer, cela prend beaucoup de temps », a déclaré Wozniak. « Nous voulons environ un litre et demi d’eau, et chaque fois que vous faites cela, vous récupérez environ sept millilitres. »
En collaboration avec l’équipage à bord du R/V Sharp — Jon Swallow, Timothy Deering et James Warrington — l’équipe a affiné sa technique de collecte pour améliorer sa méthode d’échantillonnage.
Ils ont utilisé un échantillonneur Rosette, un appareil utilisé pour prélever des échantillons d’eau en eaux profondes. Ce type d’échantillonneur est généralement installé sur le côté d’un navire équipé de bouteilles, de sorte que lorsqu’il descend, il remonte avec des bouteilles d’eau.
Pour cette expérience, ils ont cependant équipé la Rosette de morceaux de verre.
« Nous sortons l’échantillonneur de l’arrière du bateau, le plongeons dans l’eau, le soulevons et le ramenons à bord, puis nous raclons le verre », explique Wozniak. « Nous faisons cela plusieurs fois pour recueillir suffisamment d’eau pour constituer un échantillon. Cela nous prend environ deux heures et nous comptons le nombre de fois que nous le faisons, afin de savoir combien de fois il faut pour recueillir les échantillons. »
Selon Wozniak, l’idée est que lorsque la plaque de verre descend dans l’eau et remonte, la matière à la surface est la dernière chose qu’elle touche. Ces molécules de tensioactif sont attirées par la plaque de verre et y adhèrent. Au fur et à mesure que l’eau s’écoule, une partie de ce qui s’écoule est principalement l’eau sous-jacente.
« On les appelle des molécules tensioactives parce qu’elles réduisent la tension superficielle et que cette propriété de tension superficielle va influencer la turbulence à l’interface air-eau », a déclaré Wozniak. « Cette turbulence est un facteur clé dans la façon dont les gaz peuvent aller et venir. Avec plus de turbulence, il y aura plus d’échanges de matériaux. »
Actuellement, la méthode utilisée pour quantifier les échanges de dioxyde de carbone, par exemple, est basée sur la vitesse du vent, car celui-ci va influencer les turbulences. Mais ces modèles ont de grandes marges d’erreur, et on pense que ces erreurs sont en partie dues à l’influence d’autres facteurs comme ces tensioactifs.
« En grattant cette couche du verre, on a consolidé cette fine couche », explique Wozniak. « C’est notre solution pour étudier la microcouche de la surface de la mer et c’est vraiment un excellent exemple de collaboration entre l’équipage du navire et les scientifiques pour résoudre un véritable défi. »
Une fois les échantillons collectés, les chercheurs ont effectué leurs analyses soit à bord du navire, soit dans les laboratoires de leurs institutions d’origine.
Parmi les étudiants de l’UD impliqués dans la croisière, on trouve Felix Agblemanyo, un doctorant étudiant l’océanographie à l’École des sciences marines et de politique de l’UD, qui est membre du groupe de laboratoire de Wozniak et qui menait la recherche dans le cadre de sa thèse de doctorat.
Audrey Tong, une étudiante de premier cycle à bord de l’expédition pour aider aux travaux scientifiques et de communication, et Tia Ouyang, une étudiante au doctorat et également membre du laboratoire Wozniak, et Ava Grove, une étudiante de premier cycle qui découvre pour la première fois la recherche océanographique, ont complété l’équipe de recherche de l’UD.