MASOX - Monitoring Arctic Seafloor - Ocean Exchange

Objectifs

Le site arctique ESONET / EMSO est une zone de forte dissociation des hydrates de méthane. La surveillance de cette dissociation du méthane est impérative car le relargage de méthane par les hydrates de gaz a été établit comme étant un processus clé du changement climatique et de l'affaissement catastrophique de la marge continentale. De récentes recherches multidisciplinaires sur le plateau et le talus continental du Spitzberg Occidental (entre 78° et 80° Nord dans la partie ouest du détroit de Fram) ont montrées plus de 250 panaches de bulles de méthane s'échappant du fond marin, à proximité du bord de la zone de stabilité des hydrates de gaz (qui se situe à environ 396m de profondeur sous le niveau de la mer) (Westbrook et al., soumis). L'objectif scientifique principal de MASOX est de déterminer s'il y a un effet de causalité dans le réchauffement des eaux de surface de l'Arctique conduisant la chaleur dans les sédiments océaniques de surface et sous-jacents, ce qui conduit à une perturbation de la zone de stabilité thermodynamique des hydrates de méthane, augmentant les émissions de méthane sous forme gazeuse et dissous (et de CO2 via des réactions d'oxydo-réduction) dans l'océan et l'atmosphère, avec des conséquences pour l'écologie benthique et les cycles biogéochimiques.

MASOX est composé des groupes de recherche de l’AWI, de IFMGEOMAR, du NOC, de IMR-Bergen, et de l'université de Tromsø, apportant une approche pluridisciplinaire dans le recensement des flux physiques de chaleur entre l'océan et les sédiments, le changement de phase des hydrates dans les sédiments profonds, et l'échange de gaz et de fluides entre les sédiments et l'océan et les réactions chimiques associées. MASOX intégrera des mesures de flux de chaleur convectif et de température enregistrés par CTDs et des mesures de courant; des mesures de conduction de chaleur dans les sédiments en utilisant des sondes de flux de chaleur; de pH, Eh et des éléments chimiques dissous sur le fond océanique et près du fond pour enregistrer les changements biogéochimiques; la détection de bulles par échosondeurs et des mesures ADCP pour documenter les flux des panaches de gaz. Des caméras de fond océanique et des chambres benthiques seront utilisés pour enregistrer les changements de l'écologie et de la chimie benthique. Et enfin, une station météo de surface sera utilisée pour transmettre les données en temps réel vers la terre.

 

Illustration de la position actuelle de la zone de stabilité des hydrates de gaz au large du Spitzberg occidental. Le dessin montre aussi les relargages du méthane dans la colonne d'eau.

Les expériences géophysiques seront centrées sur le contrôle physique des taux d’émission de gaz, et le comportement apparent des panaches de bulles. Les analyses géochimiques des eaux interstitielles et de la colonne d'eau permettront d'évaluer les sources de méthane sous forme gazeuse et les sources thermogéniques, et les transformations chimiques consécutives qui pourraient amener une réduction des niveaux d'oxygène dissous et une augmentation de l'acidité de l'océan. Les expériences biologiques permettront d'évaluer la réponse de la vie métazoaire à l'exposition à long terme aux conditions acides de ces sites uniques d'habitats proches des écoulements de méthane. Elles comprennent une étude des espèces non endémiques et des expérimentations en chambres benthiques. Nous pensons que ce sera une première mondiale dans le recueil de séries temporelles en continue des dépôts d'hydrates au niveau des fonds océaniques et des habitats chimiosynthétiques associés. La plupart des technologies requises pour les capteurs est disponible et validée, comme pour la station « Arctic » de fond développée par l'IMR et la bouée de surface développée et utilisée par StatoilHydro qui constitueront le cœur de l'observatoire. L'intégration des données et des capteurs sera l'enjeu principal de cette mission de démonstration, mais une fois achevée elle fournira un jeu de données pluridisciplinaires et synchronisées de grandeurs géophysiques, géochimiques, océanographiques et biologiques sur la dissolution des hydrates. Un point clé de ce projet est la mise à disposition en temps réel de ces données via un projet de site web. Une telle transmission de données en temps réel, couplée à de faibles profondeurs d’eau (350-400m), offre une excellente opportunité en tant que banc de test pour le développement de capteurs au niveau des sources froides puisque ce projet permet d’aller d’un modèle expérimental et de tests en laboratoire vers le déploiement réel à des profondeurs océaniques.

Le projet MASOX est planifié fonctionner sur une durée de 40 mois entre mars 2009 et août 2012, incluant trois déploiements en mer entre juillet 2010 et juin 2012. La Mission de Démonstration ESONET, qui fait partie du projet MASOX, sera étendue sur 20 mois entre mars 2009 et octobre 2010, ce qui inclut la conception finale de la station, l'intégration des capteurs, le premier déploiement et les trois premiers mois d'observation en mer avec la diffusion des données en temps réel, via le web.

Pertinences des objectifs du ESONET NoE

Le projet MASOX (Spitzberg occidental) permettra d'avancer sur de nombreux objectifs fondamentaux d'ESONET. Il reprendra le développement d'un observatoire des fonds marins en Arctique, une région importante à l'échelle mondiale, et qui est de manière unique sensible au changement du climat mondial. Le projet explorera les liens entre la stabilité des hydrates de gaz, le climat mondial, les cycles biogéochimiques et l'écologie marine. Il intègre une technologie de pointe sur les stations, fournie par un partenaire ESONET existant avec des systèmes de capteurs de dernière génération. Il implique une contribution matérielle substantielle d'un partenaire industriel, qui garantira un haut degré de standardisation et d'interopérabilité entre les universitaires et l'industrie. Il permettra de démontrer les possibilités d'observation du fond océanique avec une transmission de données en temps réel, par satellite, depuis des sites distants à hautes latitudes. Enfin il apporte une valeur significative à un site ESONET existant et permettra d'atteindre la « masse critique » pour une recherche pluridisciplinaire capable d'installer un futur système d'observation multi-nœuds câblé comme envisagé par EMSO.

Tous les scénarios de changement climatique mondial (avec augmentation de la concentration de CO2 à au moins 500 ppm) prédisent un changement important et irréversible dans l'océan arctique. La modélisation du couplage océan-atmosphère (par exemple le modèle CHIME) prédit un réchauffement de l'ocean arctique superficiel de +5°C à +14°C pour les eaux de surface à l'horizon des années 2100. En effet, les observations directes des eaux superficielles (à 250m de profondeur) dans l'ouest du détroit de Fram, ont enregistrées une augmentation d'environ +1°C entre 1998 et 2006 (Schauder et al., 2008). La recherche géophysique marine récente a identifié des hydrates de méthane dans l'océan arctique (comprenant le Spitzberg occidental) (par exemple Posewang and Mienert, 1999), et déterminé certaines des limites concernant leur stabilité thermodynamique (Haacke et al., 2008). De récentes découvertes présentent le Spitzberg comme un site de relargage de méthane à l'état de gaz et où les hydrates affleurent au niveau du fond marin, à une profondeur d'eau de 350-400m (Westbrook et al., soumis).

 

 

Réchauffement du courant ouest de Spitzberg (West Svalbard Current ; WSC) de +1°C de 1998 à 2006

Site ESONET/EMSO Arctique (cercle jaune), Ouest du détroit de Fram, et site MASOX proposé

L'objectif scientifique principal de MASOX est de déterminer s'il y a un effet de causalité dans le réchauffement des eaux de surface de l'Arctique conduisant la chaleur dans les sédiments océaniques de surface et sous-jacents, ce qui conduit à une perturbation de la zone de stabilité thermodynamique des hydrates de méthane, augmentant les émissions de méthane sous forme gazeuse et dissous (et de CO2 via des réactions d'oxydo-réduction) dans l'océan. L’impact des émissions de méthane sur les écosystèmes benthiques et les cycles biogéochimiques océaniques sera aussi évalué. De telles relations de cause à effet entre le changement climatique et les émissions catastrophiques de méthane ont été proposées pour expliquer le passé géologique (par exemple Kennett et al. 2003) et les variations du méthane atmosphérique dans l'hémisphère nord, en particulier durant les derniers 45 000 ans (Maslin et al., 2004). S'attaquer à une telle question scientifique requiert une approche pluridisciplinaire sur une longue période afin d’enregistrer les flux physiques de chaleur entre l'océan et les sédiments, le changement de phase des hydrates dans les sédiments marins profonds, puis l'inversion des flux physiques (sous forme de panaches de gaz) des sédiments vers l'océan, en même temps que des réactions chimiques associées. Par conséquent, le projet MASOX intégrera des mesures de flux de chaleur convectifs et de température enregistrées par CTDs et des mesures de courant, de conduction de chaleur des sédiments en utilisant des sondes de flux de chaleur, de pH, de Eh et des éléments chimiques dissous sur le fond océanique et en profondeur proche du fond pour enregistrer les changement biogéochimiques, la détection des panaches de bulles par échosondeurs et des mesures ADCP pour documenter les flux de panaches de gaz. Des caméras de fond océanique et des chambres benthiques seront utilisés pour enregistrer les changements de l'écologie et de la chimie benthiques, et enfin une station météo de surface flottante sera utilisée pour transmettre les données en temps réel vers la terre.

C'est un projet scientifique intégratif ambitieux de documentation des changements d'état et des flux physiques et chimiques entre la lithosphère et l'hydrosphère. Nous pensons que ce projet sera une première mondiale dans l'observation soutenue des dépôts d'hydrates dissociés au niveau des fonds océaniques. La plupart des technologies de capteurs requises sont disponibles et valisées, mais un effort et une coordination considérables seront nécessaires pour intégrer tous ces systèmes de capteurs dans un système reliant station et bouée de surface, qui inclut les données nécessaires et les systèmes de gestion de l'énergie, de méthodologies d'échantillonnage, et de protocoles de transmission de données. L'intégration des données sera l'un des défis principaux de cette mission de démonstration, mais aussi probablement l'outil le plus efficace pour accélérer l'intégration scientifique entre les équipes. Le produit final sera un jeu de données temporelles pluridisciplinaire, synchronisé, produit par des instruments autonomes connectés, avec le temps comme seule variable commune. Ces données nous permettront d'identifier les variations dans la dissociation des hydrates de méthane et de déterminer les relations entre les émissions de méthane et l'impact sur le changement climatique. Bien que nous prévoyions de faire fonctionner MASOX au moins deux ans (en fonction du succès des demandes de fonds de mise à la mer), avec la Mission de Démonstration ESONET proposée représentant les trois premiers mois du déploiement de deux ans, nous espérons enregistrer non seulement des différences temporelles à l'échelle de l'année, dues au changement climatique, mais aussi des effets dus aux variations saisonnières de 1-1,5°C de la température des eaux de fond. Conscients de l'importance de l'intégration de la science et de la technologie nécessaire pour le projet MASOX, cinq des sept WorkPackages (WP) du projet concernent ces questions, dont le WP1: infrastructure de la station et développement des capteurs, WP2: expériences géophysiques, WP3: expériences géochimiques et de flux, WP4: expériences biologiques/océanographiques, et WP5: gestion et protocoles des données.

Une partie importante de MASOX est l'implication de l' « Institute of Marine Research – Bergen (IMR) ». L'IMR n'a pas eu d'engagement précédent avec ESONET (et n'est pas partenaire de ESONET), bien que le groupe soit leader mondial en ingénierie des systèmes de stations avec une expertise unique sur les nouveaux systèmes IP de gestion de données, la génération et le stockage de batteries pour les bouées de surface de mesure de vents, les stratégies d'échantillonnage adaptatif et la gestion de l'utilisation de l'énergie, les déploiements à hautes latitudes, et la transmission de données en temps réel. L'implication de l'IMR dans MASOX permettra d'accroître et d'intégrer les bases technologiques au sein du ESONET NoE. De même, l'IMR profitera de l'utilisation et de l'adaptation des capteurs du NOC et de GEOMAR dans leurs systèmes de station, avec pour perspective une amélioration et une augmentation de leur utilisation dans l'observation de l'océan arctique. Par l’intermédiaire de MASOX, l'IMR s'appliquera à devenir un partenaire ESONET, bien que le succès du projet MASOX n’en soit pas dépendant. Dans l’objectif de contractualisation de cette proposition et de ce projet, l’IMR sera financé au travers du NOC via une sous-contractualisation acceptée par l’UE et ESONET.
Bien que la plupart des technologies existent, l'observatoire MASOX offrira également d'excellentes opportunités en tant que banc de test pour le développement de capteurs puisqu'il permet de passer d'un modèle expérimental et de test en laboratoire au déploiement réel à des profondeurs océaniques. La profondeur relativement faible (350-400m) et la transmission des données en temps réel fournit une excellente opportunité pour le développement par étapes des capteurs et la validation des données. Par exemple, le NOC ajoutera un nouveau prototype de capteurs de méthane et de CO2 à la station MASOX au cours de la seconde année du programme proposé pour le projet, avant le déploiement des capteurs à des profondeurs océaniques et le déploiement sur d'autres sites.