De petites structures aux effets planétaires

L’océan est un élément central du système Terre : il absorbe la majeure partie de l’excès de chaleur généré par les activités humaines, capte une fraction importante du dioxyde de carbone émis dans l’atmosphère et soutient des écosystèmes essentiels à la sécurité alimentaire, à l’économie et à la biodiversité. Pourtant, de nombreux processus qui régulent ces fonctions ne se produisent pas de façon uniforme à l’échelle globale : ils sont fortement influencés par des mouvements océaniques de petite échelle.

Ces structures (tourbillons, fronts et filaments) ne s’étendent que sur quelques kilomètres à quelques dizaines de kilomètres et n’évoluent que sur quelques jours à quelques semaines. Malgré leur taille réduite, elles jouent un rôle disproportionné : elles contrôlent les échanges de chaleur et de dioxyde de carbone avec l’atmosphère, le transport vertical des nutriments depuis les profondeurs vers la surface, et l’organisation spatiale et temporelle de la vie marine. En raison de leur caractère transitoire et de la difficulté à les observer, elles restent mal documentées, et leurs effets demeurent insuffisamment représentés dans les modèles climatiques.

C’est ce défi que WHIRLS (The impacts of ocean fine-scale whirls on climate and ecosystems) entend relever, en observant simultanément l’océan, l’atmosphère et les écosystèmes marins, précisément aux échelles spatiales et temporelles où leurs interactions sont les plus actives.

Un laboratoire naturel au sud de l’Afrique

La campagne se concentre sur le courant des Aiguilles, l’un des courants océaniques les plus puissants et les plus énergétiques de la planète. Dans cette zone, des eaux chaudes en provenance de l’océan Indien rencontrent des eaux plus froides de l’Atlantique et de l’océan Austral, générant une turbulence intense, de forts gradients de température et des échanges vigoureux avec l’atmosphère. Une partie de ces eaux chaudes s’échappe vers l’Atlantique et alimente la grande circulation océanique qui redistribue la chaleur à l’échelle planétaire.

En hiver austral, période choisie pour la campagne, les contrastes entre l’océan et l’atmosphère s’accentuent, les tempêtes sont fréquentes et les processus de petite échelle sont particulièrement actifs. La région et la saison constituent ainsi un laboratoire naturel idéal pour étudier l’influence de la dynamique océanique fine sur le climat et les écosystèmes.

Deux navires et une flotte d’instruments autonomes

Le cœur de WHIRLS repose sur deux navires de recherche, le Marion Dufresne (France) et le SA Agulhas II (Afrique du Sud), qui fonctionnent comme de véritables observatoires scientifiques mobiles. Coordonnés, ils permettront de réaliser des relevés quasi simultanés sur une zone d’environ 200 × 200 km, en explorant la structure tridimensionnelle des 1 000 premiers mètres de l’océan et de la basse atmosphère.

Les navires ne pouvant être partout à la fois, ils seront épaulés par une flotte exceptionnelle de plateformes autonomes : gliders sous-marins, planeurs de vagues, bouées-voiliers, environ 200 dériveurs de surface, 18 flotteurs profileurs et, possiblement, des drones marins de type Saildrone. Quelque 300 sondages atmosphériques seront également réalisés à l’aide de ballons-sondes et de profileurs, complétés par des lidars à vent et des drones aériens pour caractériser la basse atmosphère. Ensemble, ce réseau d’une densité et d’une diversité sans précédent permettra de suivre en temps quasi réel la formation, l’évolution et la dissipation des structures océaniques fines.

Quelques-unes des plateformes autonomes déployées par WHIRLS. À gauche : un flotteur profileur biogéochimique échantillonnant la colonne d’eau. À droite, en haut : un glider sous-marin SeaExplorer (à gauche) et un glider Slocum équipé d’une sonde de microstructure pour la mesure de la turbulence (à droite) ; en bas : un véhicule de surface autonome et un glider refaisant surface, devant la baie du Cap. Crédits : projet WHIRLS / Sean Lavis (Sea Technology Services), D. Luquet (IMEV), Alseamar, Rockland Scientific. D. R.

Un instrument inédit en France

Une innovation majeure de la campagne sera le MVP300, un profileur embarqué en route, premier instrument de ce type en France. Capable de sonder de façon répétée les 1 000 premiers mètres de l’océan pendant que le navire se déplace, il mesurera la température, la salinité, l’oxygène, le pH et les nitrates, révélant la structure physique, chimique et biologique de la couche supérieure de l’océan à haute résolution. Au-delà de WHIRLS, le MVP300 restera disponible pour l’ensemble de la communauté scientifique française.

Une première : l’océan, l’atmosphère et le vivant mesurés ensemble

La singularité de WHIRLS tient à ce qu’elle observe, dans une même campagne et au même instant, des compartiments du système climatique habituellement étudiés séparément. D’un côté, la physique et la chimie : les échanges de chaleur, de quantité de mouvement et de gaz entre l’océan et l’atmosphère, la pompe de carbone océanique, l’oxygène, les nutriments et les aérosols. De l’autre, la biosphère dans toute son étendue : depuis les virus et les bactéries, en passant par le phytoplancton et le zooplancton, jusqu’aux oiseaux et aux mammifères marins, sommets de la chaîne alimentaire.

Mesurer conjointement ces différents compartiments, à savoir l’atmosphère, l’océan physique et chimique et l’ensemble du biome marin, à très haute résolution spatiale et temporelle est nouveau, sinon entièrement inédit. C’est précisément cette simultanéité qui permettra de relier des processus jusqu’ici observés de façon fragmentée : comment un tourbillon ou un front, en remontant des nutriments vers la surface, stimule le phytoplancton, modifie l’absorption du carbone, et attire in fine prédateurs et mammifères marins, tout en façonnant les échanges de chaleur et d’humidité avec l’atmosphère qui le surplombe.

Des grandes échelles aux petites échelles. À partir des courants et de la température de surface de l’océan (à gauche), la campagne zoome sur la turbulence océanique au sud-ouest de l’Afrique, dans la région du courant des Aiguilles (au centre), où tourbillons, fronts et filaments structurent la distribution de la chlorophylle de surface (à droite). Chaque vignette couvre des échelles de plus en plus fines, jusqu’à des structures d’environ 100 km et moins. D. R.

Le concept d’observation et de modélisation de WHIRLS. Une campagne océanographique multidisciplinaire et multiplateforme (deux navires de recherche, flotteurs, gliders, dériveurs et drones, échantillonnant l’océan et la basse atmosphère) est combinée à des modèles numériques couplés de l’océan et de l’atmosphère. Ensemble, ils permettent à WHIRLS d’observer simultanément la physique, la chimie et le vivant à très haute résolution. D. R.

Observer le vivant, du virus au mammifère marin

Le programme biologique et biogéochimique de WHIRLS est d’une ampleur remarquable. Les échantillons d’eau sont analysés pour les nutriments et leur composition isotopique, traceurs des apports physiques vers la surface. La production primaire quantifie la vitesse à laquelle les microalgues transforment le CO₂ en matière organique ; la cytométrie en flux caractérise les communautés planctoniques cellule par cellule ; les filets à plancton échantillonnent les organismes plus grands ; et l’analyse génétique et génomique identifie finement la biodiversité, y compris les virus et bactéries difficilement observables autrement.

À l’échelle supérieure, des systèmes acoustiques détectent le zooplancton et les poissons, tandis que des observateurs recensent oiseaux et mammifères marins. Les structures océaniques de petite échelle créent en effet souvent des zones de forte concentration biologique qui attirent les prédateurs : suivre cette dynamique du virus jusqu’au mammifère, en parallèle de la physique et de la chimie, offre une vision intégrée du biome marin rarement atteinte.

Une synergie stratégique avec le satellite SWOT

WHIRLS revêt une importance stratégique pour le CNES et la mission satellitaire SWOT, dédiée à l’observation à haute résolution de la surface des océans. Les travaux préparatoires menés au cours de l’année écoulée ont montré que SWOT permet de distinguer des structures cinq à dix fois plus fines que les satellites altimétriques classiques, et même de reconstruire pour la première fois les vitesses verticales de l’océan dans la région d’étude, une grandeur notoirement difficile à mesurer.

La campagne fournira un jeu de données de référence pour valider la capacité de SWOT à capturer cette variabilité de fine échelle. Un enjeu particulier sera la comparaison, inédite, entre les vitesses verticales déduites du satellite et celles mesurées directement en mer. WHIRLS s’inscrit dans la continuité de la campagne BioSWOT-Med (2023), en généralisant ses résultats à une région aux caractéristiques physiques, biogéochimiques et écosystémiques fortement contrastées.

Au cœur du projet européen ERC Synergy WHIRLS

La campagne constitue une composante centrale du projet ERC Synergy WHIRLS (Unravelling the impact of ocean fine-scale whirls on our climate and ecosystems), financé par le Conseil européen de la recherche dans le cadre du programme Horizon Europe (ERC Synergy Grant n° 101118693) pour la période 2024-2030. Le projet réunit des océanographes physiciens, spécialistes de la modélisation et de l’observation, et des biogéochimistes d’Allemagne, de France, de Suède et d’Afrique du Sud.

WHIRLS est porté par quatre chercheurs principaux (PIs) : Arne Biastoch (GEOMAR, Kiel), Sabrina Speich (École normale supérieure, Paris), Sebastiaan Swart (Université de Göteborg) et Sarah Fawcett (Université du Cap). Sabrina Speich, l’une des quatre PIs du projet, assurera également la fonction de cheffe de mission à bord du Marion Dufresne pendant la campagne.

Au-delà du financement européen, la campagne bénéficie d’un soutien français déterminant : la Flotte océanographique française (Infrastructure de recherche IR*), le CNRS (Institut national des sciences de l’univers, INSU), le Centre national d’études spatiales (CNES), l’Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) et l’infrastructure de recherche Data Terra. Le projet est par ailleurs porté, pour sa composante française, par l’École normale supérieure (ENS-PSL) et le Laboratoire de météorologie dynamique (LMD, UMR 8539).

Pour la première fois, nous allons observer ensemble, au même endroit et au même moment, l’océan, l’atmosphère et tout le vivant qu’ils abritent, des virus aux mammifères marins. C’est en réunissant ces compartiments habituellement étudiés séparément que nous pourrons comprendre comment les plus petites structures de l’océan agissent sur le climat et la biodiversité.
Sabrina Speich, PI du projet ERC Synergy WHIRLS et cheffe de mission du navire océanographique Marion Dufresne

Une collaboration internationale élargie

Au-delà des quatre équipes du consortium ERC, WHIRLS mobilise un large partenariat international associant notamment l’Afrique du Sud, l’Allemagne, la Suède, la France, l’Italie, le Royaume-Uni, la Chine et les États-Unis, ainsi que de nombreux instituts de recherche et agences spatiales. En observant simultanément la physique, la biogéochimie et les écosystèmes à petite échelle, la campagne fournira des connaissances essentielles pour améliorer les prévisions climatiques, mieux comprendre le cycle du carbone océanique et anticiper les réponses des écosystèmes marins face au changement climatique.

À propos de la campagne

Cadre
Campagne centrale du projet ERC Synergy WHIRLS (Horizon Europe, grant n° 101118693, 2024-2030), porté par GEOMAR (Kiel), l’ENS Paris, l’Université de Göteborg et l’Université du Cap. Soutiens français : Flotte océanographique française (IR*), CNRS-INSU, CNES, IPSL, Data Terra, ENS-PSL et Laboratoire de météorologie dynamique (LMD, UMR 8539).

WHIRLS. Unravelling the impact of ocean fine-scale whirls on our climate and ecosystems

calendrier
Phase principale du 20 juin au 29 juillet 2026, en mer au large de l’Afrique du Sud (région du courant des Aiguilles et bassin du Cap). Déploiement de plateformes autonomes en monitoring continu dès janvier 2026.

moyens
Deux navires de recherche (Marion Dufresne, SA Agulhas II), une flotte de plateformes autonomes (gliders, dériveurs, flotteurs Argo, drones marins), un dispositif atmosphérique complet (~300 sondages, lidars, drones) et le profileur embarqué MVP300.

Contact
Sabrina Speich, LMD-IPSL •