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Échanges océan-atmosphère (échange de CO2 à travers la surface)
Les échanges de carbone, sous forme de gaz carbonique (CO2) entre l'atmosphère et les océans sont dominés par la photosynthèse des organismes phytoplanctoniques qui incorporent le CO2 dans leurs tissus et par la respiration/dégradation qui, au contraire, libère le CO2 et le retourne dans le milieu. Un changement mineur entre ces flux opposés (photosynthèse et respiration) pourrait modifier cet équilibre et donc la proportion du carbone anthropogénique (celui qui est produit par les activités humaines) qui reste dans l'atmosphère.
Les algues microscopiques qui constituent le phytoplancton construisent leurs tissus organiques en combinant des matériaux inorganiques comme le gaz carbonique (CO2) et les sels nutritifs présents dans l'eau. Cette fabrication de matière organique vivante à partir de matériaux inertes est le résultat d'un processus biochimique, la photosynthèse, qui s'effectue grâce à l'énergie solaire captée par un pigment que possèdent tous les végétaux : la chlorophylle. Ainsi, la photosynthèse ne peut avoir lieu que dans la couche euphotique des océans. La production primaire (ou phytoplanctonique) qui résulte de la photosynthèse, est le point de départ de toutes les chaînes alimentaires dans les océans.
• Échanges océan/atmosphère • Photosynthèse • Couche euphotique • Phytoplancton • Bactéries et protozoaires • Chaînes alimentaires • Réseau microbien • Zooplancton • ? • Couche intermédiaire • Particules • Couche profonde • Respiration • Enfouissement • Flux résiduel • Flux sédimentaire
Couche euphotique
Comme la photosynthèse nécessite de l'énergie solaire pour pouvoir se réaliser dans le milieu marin, le phytoplancton ne peut se développer que dans les eaux de surface, là où les rayons du soleil pénètrent jusqu'à une certaine profondeur. Cette couche de surface éclairée par le soleil est appelée couche euphotique et toute la production primaire des océans y est concentrée. Selon les conditions ambiantes et la teneur des particules en suspension dans l'eau de mer, la couche euphotique est plus ou moins profonde ; sa limite inférieure correspond à la profondeur où il ne reste que 1% de la lumière qui a pénétré en surface. Dans le golfe du Saint-Laurent, la couche euphotique correspond généralement aux 20-30 premiers mètres de profondeur.
Phytoplancton
Le phytoplancton est le terme générique regroupant tous les végétaux microscopiques (algues unicellulaires généralement comprises entre 1 et 100 µm) qui croissent au sein des masses d'eaux, aussi bien les eaux douces que marines. Parmi les groupes d'algues les plus représentés dans le phytoplancton du Saint-Laurent, on retrouve des diatomées et des dinoflagellés. Au cours de leur développement, ces algues microscopiques sont transportées au gré des courants marins avec les eaux de surface. Un peu comme une prairie sous-marine, le phytoplancton est l'alimentation de base d'organismes marins herbivores comme le zooplancton et certains invertébrés, eux mêmes source de nourriture pour des organismes supérieurs (p. ex. poissons, mammifères marins). Le phytoplancton est donc à la base des chaînes alimentaires et cette production primaire détermine la productivité des écosystèmes marins.
Dans cette étude, nous avons différencié le phytoplancton en deux groupes : les grandes cellules (de taille > 5 µm, surtout des diatomées) et les petites cellules (de taille < 5 µm).
Hiver-Printemps
Biomasse (mg C m-2)
Grandes cellules (68%)
Petites cellules (32%)
Production primaire (mg C m-2 j-1)
Été-Automne
Bactéries et protozoaires
Avec les cellules phytoplanctoniques de très petite taille (< 5 µm), les bactéries et les protozoaires composent le réseau microbien. Alors que les bactéries sont des micro-organismes unicellulaires ni végétaux, ni animaux, les protozoaires sont des organismes unicellulaires hétérotrophes (animal) incluant les flagellés, les dinoflagellés et les ciliés pour cette étude.
Chaînes alimentaires planctoniques
Le plancton englobe, par définition, tous les organismes aquatiques qui vivent en suspension dans l'eau. Ces organismes sont des végétaux (phytoplancton) ou des animaux (zooplancton). Comme le montre ce bilan annuel simplifié du cycle du carbone, la production phytoplanctonique peut emprunter deux voies de circulation (ou chaînes alimentaires). La première passe par le réseau microbien puis par le zooplancton. La seconde voie est dominée par du phytoplancton de plus grande taille (> 5 µm de diamètre ; surtout des diatomées), et par la consommation massive de ce phytoplancton par les organismes hétérotrophes: flagellés, dinoflagellés, ciliés et zooplancton. Même s'il existe des différences saisonnières dans l'importance de ces deux types de réseau trophique, dans le golfe du Saint-Laurent, c'est le passage à travers le réseau microbien qui domine sur une échelle annuelle.
Réseau microbien
Le réseau microbien est composé de cellules phytoplanctoniques de très petite taille (< 5 µm de diamètre), de protozoaires (organismes unicellulaires incluant les flagellés, les dinoflagellés et les ciliés) et de bactéries. La voie qui passe par le réseau microbien est très efficace pour recycler et retenir le carbone dans les eaux de surface. Dans le golfe du Saint-Laurent, elle est observée surtout pendant l'été et l'automne. En effet, les eaux plus chaudes et plus stables favorisent des algues de type flagellés capables de se maintenir dans les eaux de surface pour de longues périodes.
Zooplancton
Le zooplancton est le terme qui désigne tous les organismes animaux dont la taille est supérieure à 63 µm. On peut distinguer dans le zooplancton trois groupes de taille : le petit zooplancton (de 63 à 500 µm), le moyen zooplancton (500 µm à 5 mm) et le grand zooplancton (> 5 mm).
Le petit zooplancton comprend des jeunes stades larvaires de zooplancton (nauplii et copépodites).
Le moyen zooplancton est formé essentiellement de copépodes, organismes faisant partie de la grande famille des Crustacés. Parmi les copépodes les plus abondants dans les eaux marines du Saint-Laurent, mentionnons les deux espèces : Calanus finmarchicus et Oithona similis.
Le grand zooplancton inclut des euphausiacés (krill), des chaetognathes, des amphipodes (hypériides), des cnidaires et des cténophores (méduses), des mysidacées, des tuniciers et des petits poissons (icthyoplancton). Dans ces bilans simplifiés, nous ne prenons en compte que les deux premières classes de taille.
La consommation du phytoplancton par le zooplancton aboutit généralement, et plus rapidement que par le réseau microbien, à une quantité importante de matière organique exportable. Dans le golfe du Saint-Laurent, cette voie de circulation de la production primaire est observée au début de l'hiver et au printemps, où les eaux froides et turbulentes favorisent généralement la prolifération de diatomées.
? (le carbone manquant)
Le modèle montre que le devenir d'une fraction importante du carbone organique produit en surface demeure indéterminé. En effet, le carbone qui sort de la couche euphotique est beaucoup plus important que les valeurs mesurées par les scientifiques lors de missions en mer, à l'aide d'appareillages sophistiqués comme les pièges à particules. Nous ne savons pas quelle proportion de ce carbone manquant est reminéralisée dans la couche intermédiaire froide ou exportée horizontalement avec les courants de surface, ou encore consommée par les échelons trophiques supérieurs.
D'autres travaux de recherche effectués dans l'estuaire du Saint-Laurent traitent de cette problématique. [Format PDF, 375Ko]
Couche d'eau intermédiaire
En été, les eaux du golfe du Saint-Laurent peuvent être divisées verticalement en trois couches : la couche d'eau de surface chaude et dessalée (T > 5.0°C, S = 29.0-31.5) qui englobe la couche euphotique, est localisée dans les 30 premiers mètres ; la couche d'eau intermédiaire qui est caractérisée par la présence d'eaux très froides (minimum thermique; T = -2.0-2.0°C, S = 31.5-33.0), s'étend jusqu'à 150-200 m de profondeur; et la couche d'eau profonde plus chaude et salée (T > 3°C, S = 33.0-34.5). En hiver, il n'y a que deux couches bien distinctes; en effet, la couche d'eau de surface et la couche intermédiaire sont mélangées pour ne faire qu'une seule masse d'eau froide ; la couche d'eau profonde étant toujours présente.
Une partie de la production primaire va être exportée depuis la couche euphotique vers les couches sous-jacentes (couche d'eau intermédiaire et couche d'eau profonde), principalement sous forme de très petites particules. Les teneurs en particules varient en fonction de la composition, de l'intensité et de la structure de taille des chaînes alimentaires planctoniques. Cependant, d'une façon générale, ces teneurs décroissent en fonction de la profondeur. Cette perte de masse résulte des effets combinés de l'activité bactérienne, de la fragmentation des particules, de leur solubilisation, de leur ingestion ou de leur dégradation (respiration) au cours de leur longue chute vers les profondeurs marines.
Couche d'eau profonde
Seulement 10 % du carbone se rend jusque dans les eaux profondes où il peut être emprisonné pour des décennies et ainsi affecter les échanges de CO2 entre l'océan et l'atmosphère. Ceci peut paraître très inefficace comme mode de régulation du climat, mais il faut penser que ce petit flux à l'échelle locale devient énorme lorsqu'il est multiplié à l'échelle du globe.
Respiration (ou dégradation)
La respiration est un processus métabolique qui dégrade la matière organique et libère le CO2 contenu dans les organismes vivants. Contrairement à la production primaire qui ne s'effectue que dans les eaux de surface, la respiration quant à elle, peut avoir lieu à toutes les profondeurs et même dans les sédiments. Comme la vitesse de retour du CO2 vers l'atmosphère dépend de la profondeur à laquelle il est libéré, plus le CO2 sera libéré en profondeur, plus son temps de résidence dans l'océan sera grand. Le bilan annuel simplifié indique toutefois que 90% du carbone fixé par le phytoplancton est reminéralisé ou transporté horizontalement dans les premiers 100-150m de profondeur. Le carbone libéré dans cette couche superficielle peut rapidement retourner dans l'atmosphère. Globalement, cette reminéralisation du carbone n'a donc aucun impact sur la composition de l'atmosphère et donc sur le climat.
Enfouissement dans les sédiments
Une petite partie des particules qui tombent vers les fonds marins n'est pas dégradée et elle sera enfouie progressivement dans les sédiments et ainsi soustraite du cycle du carbone. Le sédiment marin, hormis sa couche superficielle qui peut encore être dégradée, remuée par la bioturbation ou mélangée avec les eaux profondes, est considéré comme un piège pour le carbone ; celui-ci, une fois séquestré dans les sédiments plus profonds, est incorporé à l'écorce terrestre pour constituer des couches géologiques stables. Ce carbone « non échangeable » est alors piégé pour plusieurs centaines de millions d'années (la formation des réserves de charbon ou de pétrole est le meilleur exemple de ce processus de fossilisation à l'échelle géologique).
Flux résiduel
Hiver-printemps Pour pouvoir équilibrer les différentes équations d'équilibre des masses, le modèle estime un flux résiduel de 705 mg C m-2 j-1 qui sort de la couche euphotique et vient s'ajouter au flux sédimentaire de matériel détritique, phytoplanctonique et zooplanctonique. Ce flux résiduel correspond à des processus passifs (i.e. entraînement, advection) où chaque groupe est exporté de façon proportionnelle à sa biomasse.
Depuis l'estuaire maritime (nurserie pour l'espèce dominante du zooplancton Calanus finmarchicus), de grandes quantités de Calanus sont transportées avec les courants issus de l'écoulement des eaux douces des systèmes de drainage des Grands Lacs et du Saint-Laurent vers le golfe. La biomasse zooplanctonique estivale dans le golfe du Saint-Laurent est donc supportée directement par cette advection. Ce transport de production zooplanctonique a été appelé une pompe à Calanus (Plourde et Runge, 1993). Nous avons simulé ce processus dans le modèle en imposant un flux additionnel (flux résiduel) vers le grand zooplancton seulement. Ce changement engendre un flux résiduel calculé par le modèle de 155 mg C m-2 j-1.
Flux sédimentaire
La matière organique exportable de la couche euphotique ou flux particulaire sédimentaire représente des produits issus du métabolisme des organismes vivants (débris, lyse cellulaire, egestion, pelotes fécales, organismes morts, etc.).
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