Au cours des 50 dernières années, les zones pauvres en oxygène en haute mer ont augmenté. Les scientifiques ont attribué ce développement à la hausse des températures mondiales : moins d’oxygène se dissout dans l’eau plus chaude et les couches de l’océan tropical peuvent devenir plus stratifiées.
Mais maintenant, contrairement aux attentes largement répandues, une équipe internationale de scientifiques dirigée par des chercheurs de l’Institut Max Planck de chimie et de l’Université de Princeton a découvert que les zones pauvres en oxygène se sont rétrécies pendant de longues périodes chaudes dans le passé.
« Nous ne nous attendions pas à un effet aussi net », a déclaré Alexandra Auderset, première auteure du nouvel article dans la revue La nature et actuellement chercheur postdoctoral invité à l’Université de Princeton. Elle a dirigé l’étude avec Alfredo Martínez-García à l’Institut Max Planck de chimie de Mayence, dans le cadre d’une collaboration à long terme avec le groupe de Daniel Sigman à l’Université de Princeton.
Comprendre ces changements est important car « lorsque l’oxygène devient rare, la vie a plus de mal », a déclaré Sigman, professeur Dusenbury de sciences géologiques et géophysiques. Par exemple, dans les régions pauvres en oxygène de l’est du Pacifique et du nord de l’océan Indien, seuls les microbes spécialisés et les organismes à métabolisme lent, comme les méduses, peuvent survivre.
La teneur passée en oxygène des océans peut être lue dans les sédiments
Les chercheurs ont fait cette découverte en étudiant des archives de sédiments marins. Les carottes de forage peuvent être utilisées pour déterminer les conditions environnementales passées de la même manière que les cernes des arbres. Entre autres choses, les couches de sédiments fournissent des informations sur la teneur en oxygène de la mer dans le passé. Cela est dû au plancton tel que les foraminifères, qui vivaient autrefois à la surface de la mer et dont les squelettes ont coulé au fond de la mer où ils sont devenus une partie des sédiments.
Au cours de leur vie, ces zooplanctons ont absorbé des éléments chimiques tels que l’azote, dont le rapport isotopique dépendait à son tour des conditions environnementales : Dans des conditions de manque d’oxygène, un processus appelé dénitrification bactérienne se produit, dans lequel les bactéries convertissent le nitrate nutritif en azote moléculaire. Ces bactéries préfèrent absorber les isotopes légers de l’azote plutôt que les lourds, de sorte que le rapport change pendant les périodes où les bactéries étaient actives dans les océans. Les scientifiques peuvent mesurer cela pour déterminer l’étendue des zones antérieures déficientes en oxygène.
L’océan Pacifique tropical était bien oxygéné au cours des périodes chaudes passées
En utilisant des isotopes d’azote provenant de foraminifères, les scientifiques de Mayence et de Princeton ont montré que la dénitrification dans la colonne d’eau du Pacifique Nord tropical oriental était fortement réduite au cours de deux phases chaudes il y a environ 16 et 50 millions d’années.
« Nous avons travaillé pendant des décennies pour développer les méthodes qui ont permis ces découvertes », a déclaré Sigman. « Et tout de suite, les résultats modifient notre vision de la relation entre le climat et les conditions d’oxygène de l’océan. »
Cependant, on ne sait pas encore ce que cela signifie pour l’expansion actuelle des zones océaniques pauvres en oxygène, a déclaré Auderset. « Malheureusement, nous ne savons pas encore si notre découverte du rétrécissement des zones marines pauvres en oxygène est applicable aux décennies à venir ou seulement à beaucoup plus long terme », a-t-elle déclaré. « C’est parce que nous devons déterminer si les processus à court ou à long terme étaient responsables du changement. »
Recherche de la cause
L’une des principales possibilités de déclin des zones pauvres en oxygène sous l’effet du réchauffement implique une réduction de la productivité biologique alimentée par les remontées d’eau des eaux de surface tropicales. Une baisse de la productivité aurait pu se produire parce que les vents se sont affaiblis dans le Pacifique équatorial sous un climat plus chaud.
Dans l’étude actuelle, les auteurs ont également constaté que pendant les deux périodes chaudes du Cénozoïque – l’optimum climatique du Miocène moyen il y a environ 16 millions d’années et l’optimum climatique du début de l’Éocène il y a environ 50 millions d’années – la différence de température entre les hautes et les basses latitudes était beaucoup plus petit qu’actuellement. Le réchauffement climatique et l’affaiblissement de la différence de température entre les hautes et les basses latitudes auraient dû contribuer à affaiblir les vents tropicaux, réduisant ainsi la remontée d’eaux profondes riches en nutriments. Ceci, à son tour, aurait entraîné une baisse de la productivité biologique à la surface et moins de naufrage de la matière organique des algues mortes dans l’océan profond, fournissant moins de carburant pour la consommation d’oxygène qui produit des conditions déficientes en oxygène.
Cette chaîne d’événements peut se produire assez rapidement. Ainsi, si un changement similaire s’applique également au réchauffement climatique d’origine humaine, il pourrait y avoir une diminution de l’étendue de la carence en oxygène en haute mer dans les décennies à venir.
Alternativement, la cause peut se situer dans l’océan Austral, à des milliers de kilomètres. Au cours des périodes chaudes prolongées passées, l’échange d’eau entre les eaux de surface de l’océan Austral et l’océan profond (« renversement de l’océan profond ») peut s’être accéléré, entraînant une augmentation de l’oxygène à l’intérieur de l’océan dans son ensemble et rétrécissant ainsi les zones à faible teneur en oxygène. Si un renversement plus fort des océans profonds provoqué par l’océan Austral était la principale cause du rétrécissement des zones tropicales pauvres en oxygène, alors cet effet prendrait plus de cent ans au plus tôt pour se manifester.
« Les deux mécanismes jouent probablement un rôle », a déclaré Martínez-García, un ancien chercheur invité du groupe de recherche de Sigman. « La course est maintenant lancée pour déterminer quel mécanisme est le plus important. »
Envisager l’avenir
« Gardant à l’esprit nos incertitudes actuelles sur l’échelle de temps du changement, nos découvertes ont des implications importantes pour l’avenir de l’oxygène des océans », a déclaré Sigman. « En raison de la plus faible solubilité de l’oxygène dans l’eau chaude, les eaux de surface de l’océan mondial vont très probablement continuer à décliner, mais nos découvertes suggèrent que les zones océaniques déficientes en oxygène finiront par se rétrécir. Le résultat net sera un océan avec un espace spatial plus faible. variation de l’oxygène qu’il existe aujourd’hui, et cela affectera les écosystèmes océaniques. »
Dans les eaux côtières, une carence accrue en oxygène peut endommager les écosystèmes et menacer les activités humaines. Cependant, les zones pauvres en oxygène de l’océan ouvert sont fondamentales pour le cycle chimique et biologique de la Terre. De plus, si leur rétrécissement est causé par une réduction de la productivité tropicale, alors les changements combinés seraient probablement mauvais pour la productivité biologique de l’océan tropical et ses pêcheries. Compte tenu de la cascade complexe d’effets associés aux changements climatiques, selon les chercheurs, tout appelle des efforts pour limiter le réchauffement d’origine humaine.
Alexandra Auderset et al, Oxygénation améliorée des océans pendant les périodes chaudes du Cénozoïque, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05017-0