Les zones d’eau à faible teneur en oxygène s’étendent sur des milliers de kilomètres à travers les océans du monde. La plus grande de ces «zones à minimum d’oxygène» (OMZ) se trouve le long de la côte pacifique de l’Amérique du Nord et du Sud, centrée au large des côtes du Mexique.
Jusqu’à récemment, les modèles climatiques étaient incapables de dire si les OMZ augmenteraient ou diminueraient en raison du changement climatique, en partie parce que les OMZ résultent de deux processus opposés : l’oxygène fourni par la circulation océanique et l’oxygène utilisé par la vie marine.
Maintenant, une équipe dirigée par Laure Resplandy de Princeton a prédit avec confiance que les limites de l’OMZ du Pacifique, la plus grande de la planète, s’étendront jusqu’à 2 millions de miles cubes supplémentaires (8 millions de kilomètres cubes) – à la fois vers le haut vers la surface de la mer et vers l’extérieur vers la côte — vers la fin du siècle.
Ceci est important pour deux raisons, a déclaré Resplandy, océanographe biogéochimique et professeur adjoint de géosciences et du High Meadows Environmental Institute à Princeton. D’une part, à mesure que les niveaux d’oxygène baissent, des espèces économiques vitales comme le thon et les crabes ne pourront pas se nourrir, nager ou se reproduire à moins qu’elles ne se déplacent vers des régions océaniques avec plus d’oxygène. Cela a des implications majeures pour les écosystèmes proches des côtes de l’océan et les industries qui en dépendent, de la pêche au tourisme. Deuxièmement, les OMZ sont une source importante d’oxyde nitreux, un gaz à effet de serre majeur.
Les projections réussies de son équipe ne sont pas seulement dues à de nouveaux et meilleurs modèles, bien qu’ils utilisent la dernière suite, le Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6). L’idée clé, a déclaré Resplandy, était de comprendre que l’OMZ n’est pas uniforme mais a des couches « comme un oignon » qui réagissent différemment à l’augmentation des gaz à effet de serre.
Fondamentalement, les OMZ sont constituées d’une couche externe et d’un noyau interne, et les nouveaux modèles montrent que le noyau se rétrécit tandis que la couche externe se dilate.
Dans des travaux antérieurs, les modifications de l’OMZ ont été évaluées à l’aide des couches intermédiaires, entre la couche externe en expansion et le noyau en contraction, où seuls de petits décalages ont été trouvés, parfois positifs, parfois négatifs. « Les changements étaient proches de zéro et différents modèles ont montré des tendances contradictoires, certains conduisant à une expansion et d’autres à une contraction de l’OMZ. Cela ressemblait à un écart », a déclaré Julius Busecke, qui a dirigé la recherche alors qu’il était chercheur postdoctoral à Princeton. et qui est maintenant océanographe physique à l’Université de Columbia.
« Nous pensions que les modèles climatiques étaient incohérents, avec des tendances partout », a déclaré Resplandy. « Mais nous savons maintenant que nous posions la mauvaise question – demander si nous devrions nous attendre à une expansion ou à une contraction au lieu de considérer que cela pourrait être les deux.
Les chercheurs ont créé cette visualisation de la zone minimale d’oxygène du Pacifique à partir d’observations et de l’Atlas mondial des océans 2018. Les couleurs indiquent approximativement le noyau (violet) qui n’a presque pas d’oxygène et se contracte, la couche externe à faible teneur en oxygène (orange) qui se dilate et une zone de transition entre les deux (rose). Animation de Julius Busecke en collaboration avec Bane Sullivan
« Nous avons commencé à avoir une approche plus holistique et à examiner l’évolution de ces différentes couches de pelure d’oignon, la couche extérieure étant la plus importante pour les écosystèmes et le noyau étant important pour la production d’oxyde nitreux », a-t-elle déclaré. « C’est à ce moment-là que nous avons découvert que les modèles n’étaient pas réellement en désaccord. Ils ont convenu que la couche externe se dilaterait et serait un problème pour les écosystèmes, mais que le noyau se contracterait, produisant potentiellement moins d’oxyde nitreux. »
Leur nouveau cadre en couches a résolu des années de frustration. « Depuis 15 ans, nous tournons autour de la même énigme : avec le réchauffement climatique, l’océan perd de l’oxygène, nous nous attendons donc à ce que les zones minimales d’oxygène s’étendent, mais nos modèles climatiques ont montré des tendances incohérentes », a déclaré Resplandy. « Dans nos articles, les modélisateurs du climat ont écrit : ‘Les tendances des modèles sont incohérentes, nous ne savons donc pas quel sera l’impact sur les écosystèmes et l’oxyde nitreux.’ J’en avais marre d’écrire ces phrases. J’en avais marre de les lire. Quand je suis arrivé à Princeton il y a cinq ans, je me suis dit : ‘OK, il faut régler ce problème.’ C’était une de mes obsessions. »
Concevoir le cadre en couches a demandé « beaucoup de travail, mais je suis très heureuse que nous ayons enfin donné un sens aux futures projections OMZ », a-t-elle déclaré.
Les modèles de son équipe montrent que si les émissions élevées de gaz à effet de serre se maintiennent, l’OMZ du Pacifique tropical augmentera de 6 à 8 millions de kilomètres cubes, soit environ 1,4 à 2 milliards de milles cubes, soit environ 0,6 % du volume des océans du monde, d’ici 2100. Plus de de sa superficie, il s’étendra probablement vers la surface de 5 à 50 mètres (16 à 160 pieds).
À l’inverse, les nouveaux modèles montrent qu’à mesure que la couche externe se dilate, le cœur de l’OMZ, où les niveaux d’oxygène sont les plus bas, se contracte.
C’est un petit avantage. Le noyau OMZ produit de l’oxyde nitreux, donc le rétrécissement peut limiter la quantité de ce gaz à effet de serre rejetée dans l’atmosphère. « Je pense que ne pas avoir cette région centrale en ballon est probablement une bonne nouvelle », a déclaré Busecke.
Par coïncidence, les paléo-océanographes du laboratoire de Danny Sigman à Princeton ont découvert plus tôt cette année que les zones à faible teneur en oxygène entraînaient une réduction de la production d’oxyde nitreux pendant les périodes chaudes il y a 15 à 50 millions d’années. Ils avaient utilisé de minuscules créatures éteintes pour calculer les niveaux d’oxygène et d’azote.
« Il est très intéressant de voir les résultats de la paléo-océanographie », a déclaré Busecke. « Ils sont complètement indépendants de nos modèles climatiques et ils confirment nos conclusions selon lesquelles le noyau de l’OMZ pourrait rétrécir à l’avenir malgré le réchauffement. Cela nous donne l’assurance que nous sommes sur la bonne voie et que nous pouvons aller de l’avant. »
« Diverging fates of the Pacific Oxygen minimum zone and its core in a warming world » de Julius JM Busecke, Laure Resplandy, Sam J. Ditkovsky et Jasmin G. John a été publié le 23 novembre dans la revue Avances AGU.
Plus d’information:
Julius JM Busecke et al, Diverging Fates of the Pacific Ocean Oxygen Minimum Zone and Its Core in a Warming World, Avances AGU (2022). DOI : 10.1029/2021AV000470