B. La lumière
B.1. Le régime mélange/lumière (rayonnements actifs photosynthétiquement,
photosynthétiquement, PAR)
Les PAR sont nécessaires à la production biologique, à la photosynthèse et de nombreuses études ont montré qu’ils pouvaient jouer un rôle important dans l’océan Austral. Sa limitation, due principalement à un mélange vertical profond selon certains auteurs, serait un facteur ou un cofacteur critique limitant la croissance phytoplanctonique dans cette région du globe (Nelson et Smith, 1991; Blain et al., 2001; Boyd et al., 2001a).
L’atmosphère :
Considérons dans un premier temps, l’atténuation subit par les rayonnements PAR entre le sommet de l’atmosphère et la surface de l’océan afin d’évaluer si l’atmosphère et les nuages ont eu un effet atténuant plus ou moins important en 2002/03. Les cartes de moyenne mensuelle de PAR issues du site de SeaWiFS permettent de comparer le flux lumineux arrivant à la surface de l’océan en 2002/03 et le flux lumineux climatologique établi entre 1997/98 et 2004. Les cartes climatologiques mensuelles montrent que dans la POOZ, les PAR sont faibles en
Conc. O3 PA R UV A UV B U VC Nuages Aérosols Activité solaire Couche de mélange
octobre, augmentent rapidement entre le mois d’octobre et de novembre, le maximum est atteint en décembre puis en février le flux lumineux est presque devenu aussi faible qu’en octobre. Les cartes de janvier et février 2003 et climatologiques présentent des taux de PAR similaires dans la POOZ, ce qui suggère que la quantité de PAR arrivant à la surface de l’eau en 2003 n’était pas plus importante qu’habituellement (Figure B.3).
Figure B.3 Distribution de PAR moyennes mensuelles issues de SeaWiFS de janvier et février 2003 à gauche et climatologique à droite.
La couche de mélange :
Un flux lumineux donné arrivant à la surface de l’océan est atténué dès qu’il pénètre les eaux superficielles de l’océan. Sa variation d’intensité dépend des propriétés optiques de l’eau qu’il traverse. Les eaux de l’océan Austral sont des eaux dans lesquelles le phytoplancton et leurs produits détritiques sont les seules substances optiquement actives et les PAR y suivent une atténuation suivant une loi exponentielle (Rasmus et al., 2004). Le phytoplancton reçoit un flux lumineux qui s’atténue avec la profondeur jusqu’à une certaine profondeur à laquelle la photosynthèse est rendue impossible à cause du manque de lumière, la profondeur critique de Sverdrup (Zc). Ainsi pour des cellules photosynthétiques se trouvant à
2003 Climatologie
février février
janvier janvier
une profondeur plus importante que la profondeur critique, la lumière devient un facteur limitant (Figure B.4).
Figure B.4 Profils verticaux des concentrations en silicates et en CT aux stations 5 et 6 de la campagne OISO10 dans la POOZ et atténuation exponentielle en fonction de la profondeur de l’irradiance à la longueur d’onde de 450nm (Rasmus et al., 2004).
Le flux lumineux arrivant à la surface de la POOZ en 1996/97 et 2002/03 étant à priori identique ; une couche de mélange moins épaisse en 2002/03 aurait pu entraîner la mise en place d’un régime lumière/mélange favorisant la croissance phytoplanctonique. Or des observations tendent à invalider cette suggestion.
Les eaux ouvertes de l’ACC sont typiquement bien mélangées jusqu’à des profondeurs de 50 à 75m en été et de plusieurs centaines de mètres en hiver. Les profondeurs des couches de mélange estimées pour les campagnes de 1996/97 et 2002/03 à partir des données d’XBT (EXpendable BathyThermograph) recueillies sur le site de Coriolis (http://www.coriolis.eu.org/) (et des stations pour OISO10) sont rassemblées dans le Tableau B.1. La profondeur de la couche de mélange en été 2003 ne parait pas être moins profonde qu’en 1997. Le cycle saisonnier observé les deux années est de l’ordre de grandeur du cycle saisonnier moyen de la profondeur de couche de mélange dans la zone antarctique nord (54-59,5°S) établi à partir des données d’XBT du programme SURVOSTRAL par Chaigneau et al. (2004) présenté Figure B.5. 0 20 40 60 80 100 120 0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 atténuation de l 'irradian ce (W/ m2 ) 0 20 40 60 80 100 120 0 10 20 30 sil icates (µM) station5- 54,59°S station6- 57,3°S 0 20 40 60 80 100 120 2100 2150 2200 2250 CT (µmol/ kg) Pr o fo n d e u r ( m ) station5- 54,59°S station6- 57,3°S
Zc
PA RDates 23-25oct
1996 28janv 1997 31oct2002 24-25déc 2002 1-2févr 2003 21-22févr et 1-2mars 2003 Campagnes
correspondantes MIN38 2 avant MIN39 semaines R0 R2 OISO10 R4
Profondeur de la couche de mélange en moyenne sur la POOZ: 140m 50-60m 100m 50-60m 40-50m 60-70m Profondeur de la couche de mélange climatologique dans la POOZ (Chaigneau et al., 2004) 115m 50m 115m 55m 55m 70m
Tableau B.1 Récapitulatif des profondeurs de couches de mélange estimées à partir des
données d’XBT pour les campagnes MINERVE 38 et 39, R0, R2 et R4 ainsi que OISO10.
Figure B.5 Cycle saisonnier moyen de la profondeur de la couche de mélange dans les zones antarctique nord (AZ-N, 54-59,5°S) et antarctique sud (AZ-S, 59,5-62,5°S) (fig 5, Chaigneau et al., 2004).
La profondeur de la couche de mélange est contrôlée par les caractéristiques hydrologiques des eaux de surface (SSS et SST) et les vents, or les années 1996/97 et 2002/03 présentent les mêmes caractéristiques, seuls les vents diffèrent. La Figure B.6 représente les anomalies de tension de vent mensuelles moyennes sur la POOZ de 1996 à 2004. L’anomalie positive de 1m/s observée en octobre 1996 explique, peut-être en partie, le fait que la couche de mélange soit légèrement plus profonde (140m) et l’anomalie négative de presque 1,5m/s en octobre 2002 que la couche de mélange soit légèrement moins profonde que la profondeur climatologique du mois d’octobre. On remarquera qu’en janvier, février et mars 1997 et 2003, les vents sont voisins des vents moyens mensuels.
Figure B.6 Graphique des anomalies de tensions de vent mensuelles moyennes issues de ERS2 et QuikSCAT sur la POOZ (51,5-57,5°S ; 137,5-147,5°E) de 1996 à 2004.
En conclusion, les atténuations subit par les rayonnements PAR entre le sommet de l’atmosphère et l’intérieur de la couche de mélange de la POOZ en février 1997 et 2003 sont identiques ; les couches de mélange dans la POOZ en février 1997 et 2003 sont de la même profondeur. Le flux lumineux reçu par le phytoplancton en été 1997 et 2003 est identique. Par conséquent le flux lumineux (PAR) ne semble pas avoir favorisé l’accroissement de l’activité biologique en février 2003.