Océan

un vaste espace de recherche (enfin) ouvert

Véritable poumon de notre planète, l’Océan montre des signes d’essoufflement, victime de l’Anthropocène. Et avec le sien, c’est notre propre avenir qui est menacé. Si la prise de conscience a été plutôt lente, elle est maintenant effective : 2021 marque le début de la Décennie de l’océan et d’une course scientifique ouverte à toutes les disciplines. Il s’agit de mieux comprendre les mécanismes de nos océans, pour mieux prédire et limiter les impacts de la pression anthropique. Et cela, le plus rapidement possible. Outil clé dans cette quête de résilience, la métrologie se met en ordre de marche.

« Le pire est à venir, avec des implications sur la vie de nos enfants et nos petits-enfants bien plus que sur la nôtre. » Dans son rapport qui sera intégralement publié en 2022, et dont la première partie sur les constats a été publiée le 09 août, le GIEC est de plus en plus alarmiste : la vie sur Terre va irrémédiablement changer, et bien avant 2050. Si, à cet horizon, certains Etats se sont engagés à limiter le réchauffement climatique à + 2°C par rapport à l’ère préindustrielle, les experts estiment que des conséquences irréversibles peuvent apparaître dès + 1,5°C. Un seuil qui pourrait être franchi en 2025, avec 40% de probabilités, selon l’Organisation météorologique internationale. « Même à + 1,5 °C, les conditions de vie vont changer au-delà de la capacité de certains organismes à s’adapter », précise le rapport, évoquant notamment les récifs coralliens.

Océan, biodiversité, climat : une équation fragile

Les océans, on ne le dira jamais assez, figurent parmi les premières victimes du dérèglement climatique. Alors même qu’ils jouent un rôle essentiel dans l’équilibre de notre écosystème. Chaque année, ils absorbent en effet 30% du CO2 que nous émettons et plus de 90% de la chaleur additionnelle due aux gaz à effet de serre. Ils forment le plus grand puits naturel de carbone sur notre planète, grâce à des écosystèmes capables de capter, transformer et stocker le CO2, en particulier le plancton, les prairies sous-marines, les forêts de mangroves... A titre d’exemple, les herbiers de Posidonies en Méditerranée pourraient séquestrer jusqu’à 1,09 Tg de carbone par an. Ils constituent en outre des nurseries pour de nombreuses espèces. Tout comme les récifs coralliens, qui eux aussi atténuent les effets du changement climatique en protégeant nos côtes de l’élévation du niveau des mers et des événements extrêmes.

Favorisée par nos émissions de CO2, l’accélération du réchauffement climatique entraîne un réchauffement de l’océan, et avec lui des dérèglements physico-chimiques aux multiples conséquences sur la biodiversité, les écosystèmes marins - et sur nos vies. Si certaines espèces sont capables de migrer vers des eaux aux conditions thermiques plus adaptées, d’autres ne le peuvent ou n’ont pas le temps de s’adapter et risquent de disparaître, à l’instar du plancton polaire. Le réchauffement des eaux de surface diminue aussi la solubilité de l’oxygène, et ralentit sa pénétration en profondeur en réduisant le brassage vertical. Entre 1960 et 2010, nos océans ont ainsi perdu environ 2 % de leur oxygène ; leurs réserves pourraient encore diminuer de 3 à 4% d’ici à 2100 si nous ne réduisons pas nos émissions.

Parallèlement, l’augmentation des taux de CO2 dissous dans l'eau de mer fait chuter son pH. Depuis le début du XXe siècle, l’acidité moyenne de l'eau de mer a ainsi augmenté de près de 30%. Cette acidification, parfois appelée « l’autre problème du CO2 », entrave la capacité des coquillages et des coraux à construire leurs coquilles et squelettes car les ions carbonates – utiles à leur fabrication - sont moins présents.

Le fléau des micro- et nanoplastiques en plus

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Microplastique-mer

A ces menaces s’ajoutent celles liées à la surpêche, à la destruction des habitats marins, à la pollution... Chaque année par exemple, 10 millions de tonnes de plastiques sont déversées dans les océans. Selon un rapport de l’ONU, sans politiques systémiques définies à l’échelle mondiale, la quantité des déchets plastiques solides urbains devrait doubler d’ici à 2040, et celle rejetée dans les océans tripler.

L’attention se porte aujourd’hui sur les micro- et nanoplastiques, particulièrement persistants et disséminables : ils peuvent être ingérés par le biote marin et le perturber, en relarguant notamment des contaminants qu’ils ont préalablement absorbés dans le milieu (hydrocarbures, métaux, pesticides...) ; mais ils peuvent aussi transporter à travers le globe tout un lot de micro-organismes (virus, bactéries, champignons...) et ainsi introduire des espèces invasives et nuisibles dans certains écosystèmes.

2021-2030, une décennie pour l’océan

Malgré son rôle de régulateur, l’océan a longtemps été oublié dans les débats sur le climat. Avant d’être intégré dans le préambule de l’Accord de Paris en 2015 et de faire l’objet d’un rapport spécial du GIEC, décidé en 2016 et publié en 2019, L’océan et la cryosphère dans le contexte du changement climatique.

Surtout, en 2017, l’Assemblée Générale des Nations Unies a proclamé que les années 2021 à 2030 constitueraient la Décennie pour les sciences océaniques au service du développement durable. « Au début du troisième millénaire, l'océanographie a la capacité d'identifier les problèmes et de proposer des solutions, à condition de cesser de négliger sa contribution », a commenté Audrey Azoulay, directrice générale de l'UNESCO. Officiellement lancée en février dernier, cette Décennie fera de l’océan un espace de recherche et de coopération, et devrait favoriser la mise en œuvre de l’Agenda 2030, notamment l’Objectif de Développement Durable (ODD) n°14. De quoi inverser la tendance : selon le Global Ocean Science Report (UNESCO – COI, 2020), l’effort de recherche actuel sur l’océan représenterait moins de 4 % de l’effort déployé dans l’ensemble des sciences.

Parallèlement, 64% de l’océan se situant en dehors des juridictions nationales, l’ONU a ouvert en 2017 des négociations sur un traité visant à protéger la haute mer, en instaurant par exemple des aires protégées et en menant des études d’impact environnemental. Alors que les pourparlers butent encore sur des intérêts divergents, océanologues et scientifiques ont signé en juin 2021 une pétition réclamant l’accélération de la démarche.

Autre signe que nous sommes à un tournant : à travers sa plateforme UpLink, qui vise à trouver des solutions innovantes pour accélérer les progrès vers les ODD des Nations-Unies, le Forum économique mondial a lancé des Ocean Sprints (appels à idées), arguant du fait que, s’il était un pays, l'océan serait la septième plus grande économie du monde. Restauration des récifs coralliens, technologies au service des zones marines protégées, aquaculture réparatrice... figurent parmi les défis à relever.

Une dynamique multi-échelle

En tête des préoccupations mondiales, l’océan est naturellement devenu une priorité dans les agendas européens et nationaux. Le nouveau programme cadre de R&I Horizon Europe (2021-2027) développe ainsi une approche « orientée vers la mission », inspirée des moonshot missions américaines comme Apollo 11, afin de concevoir des solutions ambitieuses mais réalistes, intersectorielles et interdisciplinaires, coconstruites avec les citoyens et les acteurs locaux. La mission Starfish 2030 a pour ambition d’étudier, de régénérer et de protéger les écosystèmes marins et d’eau douce européens d’ici à 2030. Elle vise cinq objectifs (et 17 cibles) : atteindre le zéro pollution ; améliorer la gouvernance ; régénérer les écosystèmes marins et aquatiques ; décarboner notre océan, nos mers et nos eaux ; enrichir les connaissances et créer un lien émotionnel. Il est même prévu de créer une agence européenne de l’hydrosphère.

Quant à la France, présente dans la plupart des mers de la planète, elle a lancé le 8 juin dernier le programme prioritaire de recherche (PPR) Océan et climat. Doté d’un budget de 40 millions d’euros pour une période de six ans, celui-ci nourrira les réflexions nationales menées dans le cadre de la Décennie de l’océan, de la mission Starfish et du Green Deal. Il s’articule autour de quatre zones géographiques (outre-mer, océan profond, océans polaires, écosystèmes côtiers de métropole) et de trois priorités : la prévision de la réponse de l’océan au changement climatique et les scénarios d’adaptation ; l’exploitation durable de l’océan et la préservation de sa biodiversité et de ses services écosystémiques ; la réduction de la pollution océanique.

Une métrologie à la hauteur des défis scientifiques 

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Cellule de mesure primaire du pH pour la caractérisation des matériaux de référence 

Imaginer des solutions efficaces pour préserver l’océan nécessite encore de lever de nombreux freins, à commencer par ceux liés à son observation, à la compréhension de ses mécanismes et à leur modélisation. Il s’agit aujourd’hui d’acquérir toujours plus de données, à plus haute résolution, couplant des paramètres biogéochimiques, physiques, biologiques... dans des régions très contrastées, et à de multiples échelles. Les enjeux sont de réduire les incertitudes sur les projections climatiques, de mieux comprendre l’évolution des écosystèmes sous les effets du changement climatique et de la pression anthropique. 

Or l’océan est un milieu turbulent et hostile : la mesure y est complexe en raison de la très grande variabilité des paramètres d’une saison à l’autre - ou tout simplement au cours d’une même journée -, et en raison des entraves à l’échantillonnage et au bon fonctionnement des instruments, comme les mouvements, la corrosion, les salissures. Certains paramètres exigent aussi la plus grande exactitude, à l’instar du pH dont l'échelle est logarithmique : un liquide de pH 6 est 10 fois plus acide qu’un liquide de pH 7, 100 fois plus qu’un liquide de pH 8 et 1000 fois plus qu’un liquide de pH 9. Une faible incertitude de mesure est donc requise pour quantifier de faibles variations de pH, et les corréler avec un phénomène d’acidification.  

 

Traçabilité et harmonisation

Afin d’assurer la traçabilité métrologique des observations océaniques, divers projets et réseaux se constituent à l’échelle européenne. Ainsi en est-il de l’European Metrology Network (EMN) for Climate and Ocean Observation, dont le volet Océans s’attache à la mesure d’une trentaine de paramètres physiques, chimiques et biologiques. Le LNE y apporte sa contribution à travers des recherches sur la mesure du pH et d’autres variables de l’acidification, comme l’alcalinité totale - notamment sur les facteurs pouvant impacter la qualité des données lors des campagnes océanographiques.

En outre, divers projets ont été initiés par les parties prenantes de cet EMN depuis sa création en 2018. Le projet MINKE (Metrology for Integrated Marine Management and Knowledge-Transfer Network) souhaite ainsi développer une nouvelle approche des réseaux de surveillance marine en rassemblant tous les acteurs utiles à leur conception et à leur fonctionnement, depuis chercheurs jusqu’à la société civile en passant par l’industrie. Objectifs : exactitude et exhaustivité des données. Impliqué, le LNE contribuera à créer le démonstrateur d’une collaboration mieux structurée entre laboratoires nationaux de métrologie et océanographes, autour des questions de fiabilité et de comparabilité des mesures. Démarré en avril 2021, MINKE s’achèvera en 2025.

Concernant l’acidification de l’océan, le projet européen SAPHTIES vise, quant à lui, à harmoniser les procédures de mesure de pHT. Coordonné par le LNE, il permettra de développer une infrastructure métrologique pour les mesures spectrophotométriques de pHT (étalons primaires, méthodes d’évaluation des incertitudes de mesure, matériaux de référence certifiés...), et à terme de réviser la norme ISO 18191:2015.

Nouveaux challenges

La métrologie doit aussi pouvoir accompagner les besoins émergents, et ainsi repousser ses propres limites. Aujourd’hui, nos connaissances sur l’exposition aux micro- et nanoplastiques (respectivement < 5 mm et < 1000 nm) sont assez restreintes, tout comme celles sur leur impact sur le vivant. Parmi les verrous scientifiques, on trouve l’impossibilité de déterminer la taille de chaque famille de plastique présente dans les échantillons, processus indispensable pour comprendre l’absorption de polluants chimiques à leur surface. Les observations microscopiques sont par ailleurs limitées aux particules supérieures à 5 µm. Pour lever ces contraintes, le projet Moustic étudie le cas des moules, dans lesquelles on retrouve des microplastiques sous forme de fibres et de fragments. Jusqu’en 2022, il passera en revue diverses techniques pour préparer les échantillons, identifier les particules, déterminer leur taille, les quantifier. L’objectif est de pouvoir relier la nature des plastiques à leurs comportements dans les milieux digestifs, et de commencer à caractériser le risque lié à la consommation de moules contaminées par des microplastiques. Le LNE y apportera son expertise sur la méthode de fractionnement A4F pour la préparation des échantillons. Par ailleurs, il partagera ses savoir-faire dans la caractérisation des échantillons micro et nano avec les scientifiques impliqués dans l’expédition SeaPlastics, tout juste achevée en juillet dernier.

L’intelligence artificielle est également pleine de promesses pour l’observation et la recherche. Que ce soit pour modéliser et prévoir la dynamique des océans (programme OceaniX Physics-Informed AI for Observation-driven Ocean AnalytiX, porté par l’IMT Atlantique), pour détecter et suivre les principaux apports de macroplastique dans les océans (recherches du Plymouth Marine Laboratory), pour observer les créatures marines et l’impact des pollutions sur leurs comportements (projet Soft Robotic, du MIT) ou encore pour prédire l'évolution de la biodiversité...

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IA-Biodiv-Challenge

Pour autant, il est indispensable de garantir que les résultats délivrés par l’IA sont sûrs et fiables. C’est notamment la mission qu’a confiée l’ANR au LNE dans le cadre de l'organisation du challenge IA-Biodiv dont l’enjeu est de soutenir le développement de méthodes d’IA capables de prédire l’évolution de la biodiversité dans les milieux marins côtiers. Lancement du challenge début 2022 !