What role does the phytoplankton in the Antarctic Ocean play in the region’s climate processes? That’s what a study carried out during the Antarctic Circumnavigation Expedition (ACE) aimed to find out, by coupling satellite data with optical and chemical seawater analyses.
Les couleurs des microalgues en disent long sur le climat
Quel rôle le phytoplancton de l’océan austral joue-t-il dans la mécanique climatique de la région? Une étude menée durant l’expédition ACE essaie de le savoir en combinant des données par satellite avec des analyses optiques et chimiques de l’eau.
While not as majestic as killer whales and iceberg formations, phytoplankton nevertheless plays a key role in many of the issues currently affecting Antarctica. It sits at the bottom of the food chain and provides essential nutrients to many animals, from krill and cetacea all the way to penguins, seals and seabirds. It is also involved in many global climate processes like oxygen production and the carbon cycle.
One of ACE’s research projects aims to better understand the specific role that phytoplankton plays in the Antarctic Ocean, where few studies have been done on this topic. The project, headed by David Antoine from Curtin University in Australia, looks at the composition and biological cycles of single-cell microalgae. Some 6,000 different species of microalgae currently exist, but they all have one thing in common – tiny pigments that carry out photosynthesis and, when grouped in large numbers, give each ocean a distinctive color ranging from green to brown.
Il fait moins rêver que les baleines ou la formation des icebergs. Pourtant, parmi les nombreuses problématiques touchant la région antarctique, le phytoplancton est un élément essentiel. A la base de la chaîne alimentaire, il fait vivre de nombreux animaux, du krill aux grands cétacés, en passant par les manchots, les otaries et les oiseaux marins. Il est également impliqué dans de nombreux mécanismes climatiques globaux, dont le cycle du carbone ou la production d’oxygène.
Un des projets de l’expédition ACE a pour but de mieux comprendre le rôle spécifique du phytoplancton dans l’océan Austral, région encore peu documentée en la matière. Menée par David Antoine, de l’Université Curtin en Australie, cette recherche porte sur la composition et le cycle biologique de ces microalgues unicellulaires. Distribués en plus de 6’000 espèces différentes en milieu marin, ces végétaux microscopiques ont un point commun: chacun contient des pigments qui assurent le processus de photosynthèse et confèrent à l’océan différentes teintes – allant du vert au brun – lorsqu’ils sont en grand nombre.
That explains why satellite images are one of the most reliable methods for quantifying the amount of phytoplankton in a given area. By analyzing an ocean’s color, scientists can accurately determine its chlorophyll concentration, which in turn gives a good indication of how much phtyoplankton there is. Scientists can then monitor changes in the phytoplankton’s biomass, movement and distribution, and combine this information with other environmental data.
C’est pourquoi les images satellites sont l’un des moyens les plus fiables de quantifier leurs populations dans un endroit donné. Une analyse des couleurs de l’océan permet en effet de calculer avec précision les concentrations de chlorophylle, qui elles-mêmes donnent une bonne indication des quantités de phytoplancton en présence. Sur cette base, on peut ensuite en observer les modifications en termes de biomasse, de déplacement et de répartition et les recouper avec d’autres données environnementales.
An armada of instruments
However, this method comes with a margin of error. The amount of chlorophyll generated by microalgae could vary significantly under certain conditions, leading to incorrect estimates of the phytoplankton population. Antoine’s project aims to circumvent this problem by combining satellite data with information collected on the ground, thereby resulting in more reliable models.
“This is the first project of its kind,” said Charlotte Robinson, a researcher at Curtin University. “Samples have never before been collected around the entire Antarctic continent. This is also the first time that data is being gathered on such a large scale and at three different levels – satellites, analyses of the ocean’s optical properties and chemical analyses of the seawater – and subsequently being compiled.”
Armada d’instruments
Toutefois, ce type de mesures comprend une marge d’erreur. Des cellules peuvent, dans certaines conditions, produire plus ou moins de chlorophylle et donc mener à de fausses estimations de l’abondance de phytoplancton. En complétant les informations recueillies à distance par des données prises directement sur le terrain, le projet de David Antoine vise donc à améliorer ces modèles d’observation.
«C’est une étude unique en son genre, relève Charlotte Robinson, chercheuse à l’Université de Curtin. Jamais encore des échantillons n’avaient été collectés sur tout le tour de l’Antarctique. C’est également la première fois que nous recoupons des données obtenues à si large échelle et sur trois niveaux différents: par satellites, observation des propriétés optiques de l’océan et analyse chimique de l’eau».
Fortunately, the research team on board the Akademik Treshnikov has an armada of high-tech instruments on hand. Some instruments take seawater samples continuously, while others do so every three hours or when the researchers use the rosette – the instrument for measuring seawater temperature and conductivity at varying depths. Using biogeochemical filtration, the researchers can analyze all the compounds in the seawater samples (salt, phytoplankton and other particles) and determine the chlorophyll and carbon concentrations as well as the degree of fluorescence.
Pour mener sa mission à bien, l’équipe à bord de l’Akademik Treshnikov dispose d’une armada d’appareils de haute technologie. Certains échantillonnent l’eau de mer, l’un en continu, un autre toutes les 3 heures, ou encore à l’occasion du déploiement de rosettes, instruments mesurant la température et la conductivité de l’océan à différentes profondeurs. Par filtration biogéochimique, on analyse tout le matériel contenu dans ces échantillons d’eau – sel, phytoplancton et autres particules – dont on cherche entre autres à connaître le taux de chlorophylle, de fluorescence et de carbone.
A complete picture
All that data is then coupled with information obtained from optical instruments. A sensor measures light absorption and backscattering capacity at depths of up to 250 meters. A radiometric device at the ship’s bow continuously measures the amount of light reflected from the ocean surface. These measurements are then compared with satellite images.
“This data gives us valuable insight into the different phytoplankton species in the region, as well as which ones change the water color – and how – and how the phytoplankton reacts to the effects of climate change. We hope to eventually have a complete picture of the phytoplankton in the Antarctic Ocean,” said Nina Schuback, an assistant researcher at Curtin University.
Une vue d’ensemble
On recoupe ensuite ces informations avec les données recueillies par les instruments optiques. La «grappe» mesure les capacités d’absorption ou de rétrodiffusion de la lumière jusqu’à 250 mètres de profondeur. Un instrument radiométrique, placé à la proue du navire, enregistre en permanence la quantité de lumière réfléchie par la surface de l’océan, afin de la comparer avec les images satellite.
«Ces informations nous permettront d’en savoir plus sur les espèces de phytoplanton présentes dans cette région, lesquelles et de quelle manière elles modifient la couleur de l’eau ou réagissent aux différents effets du changement climatique, explique Nina Schuback, chercheuse assistante à l’Université de Curtin. A terme, nous aurons ainsi une vue d’ensemble du phytoplancton de l’océan Austral.»
