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Posté par Michel le Jeudi 03/01/2013 à 12:00
Un océan de silicium
Deux chercheurs du Laboratoire des sciences de l'environnement marin (LEMAR/IUEM, CNRS / Université de Brest / IRD / Ifremer) ont réexaminé, à l'aide de nouvelles données, le bilan du silicium dans l'océan et leurs résultats remettent en question ce qui était admis jusqu'à présent. En particulier, les apports de silicium à l'océan (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit...) s'avèrent globalement nettement plus importants que prévu, les apports en provenance des résurgences et surtout des marges continentales étant loin d'être négligeables.

Les diatomées, micro-algues à carapaces siliceuses, produisent à elles seules par photosynthèse le quart de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) que nous respirons. Ce faisant, elles consomment du dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone (appelé parfois, de façon impropre « gaz carbonique ») est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et...) (CO2) et jouent de ce fait un rôle majeur dans la pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) biologique de CO2 en assurant près de 50 % de l'exportation du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) de la couche de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) des océans vers les abysses. En outre, elles sont uniques parmi les organismes photosynthétiques marins par leur besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes...) absolu de silicium pour constituer leurs frustules de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de...), ce qui constitue une des raisons pour lesquelles le cycle du carbone et celui du silicium sont fortement liés. Curieusement, les modèles climatiques ont néanmoins longtemps ignoré le silicium, leur composante biogéochimique destinée à quantifier les flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) de carbone étant uniquement basée sur la limitation par l'azote (Table complète - Table étendue) et/ou le phosphore inorganiques dissous.


Diatomées (microalgues à frustules siliceux). © LEMAR/IUEM


Diatomées (microalgues à frustules siliceux). © LEMAR/IUEM

D'une façon générale, le silicium peut être apporté à l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en...) depuis:
- les continents, par les fleuves, les résurgences d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) douce et les marges continentales, lesquels sont alimentés en silicium par - le lessivage des roches et sols siliceux par les pluies (la silice se dissout dans l'eau en donnant de l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) silicique souvent dit "silice dissoute") ;
- les fonds marins par les sources hydrothermales profondes ;
l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :).

En 1995, un groupe international publiait dans Science (1) un article sur le budget (Un budget est un document comptable prévisionnel distinguant les recettes et les dépenses.) du silicium dans l'océan mondial actuel, article qui donnait notamment une estimation des apports par les fleuves, les sources hydrothermales et l'atmosphère, les apports par les résurgences d'eau douce et par la dissolution des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) siliceux accumulés sur les marges continentales étant considérés alors comme négligeables. Cette publication, qui a fait date, est devenue l'un des piliers de la biogéochimie marine pour les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) de terrain, les expérimentations en laboratoire, les études de processus en mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) et la validation de modèles.

Bénéficiant de nouvelles données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) rendues accessibles depuis lors, deux chercheurs du LEMAR, dont le premier auteur de l'article de 1995, ont repris ce travail en réalisant de nouvelles estimations incluant cette fois les résurgences et les marges continentales.

Ils ont montré que les apports nets de silicium à l'océan mondial en provenance des continents avaient été largement sous-évalués. Si les apports des fleuves (essentiellement ceux des grands fleuves de la zone tropicale et équatoriale) restent prédominants (61 % du total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme....) des apports), ceux provenant des marges continentales représentent 20 % du total et ne peuvent donc plus être négligés. Quand aux apports des résurgences d'eau douce à l'océan côtier, ils s'avèrent aussi importants que ceux des sources hydrothermales profondes et de l'atmosphère, lesquels sont d'égale importance.

Les flux d'entrée du silicium à l'océan étant plus importants que précédemment évalués, les chercheurs ont recalculé le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de résidence (Le nom de résidence est donné à un ensemble de voies souvent qui forment une boucle ayant la particularité de desservir des mêmes logements appelées...) du silicium (2) présent dans l'océan sous forme de silice dissoute. Évalué à 10 000 ans, il s'avère être de 35 % inférieur à celui précédemment estimé. Or, un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie...) de silicium délivré par la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité...) solide à l'océan tourne 25 fois en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous...) dans le cycle biologique (assimilation par les diatomées puis dissolution des débris siliceux dans l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.), puis ré-assimilation...) avant de quitter la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) et d'être enfoui dans les sédiments marins sous forme d'opale, un minéral siliceux qui contribuera ensuite sur le très long terme à la formation de minéraux silicatés plus complexes. Un temps de résidence plus court signifie que le silicium va donc "tourner" plus rapidement que prévu dans le cycle biogéochimique.

Enfin, les auteurs ont démontré que dans le réservoir profond de l'océan, contrairement à ce qui était admis jusqu'à présent, le recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le composent. L'un des exemples qui illustre ce procédé est...) du silicium par dissolution de silice biogénique (silice intégrée aux diatomées) se déroule prioritairement à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) eau – sédiment (75 %), et non dans la colonne d'eau (25 %), ce dont devront désormais tenir compte les modèles globaux physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) – biogéochimie.

Il ressort de ces résultats que, si seul le puits d'opale sédimentaire dû aux diatomées est pris en compte, il y a plus d'apport de silicium à l'océan (sources) que d'export (puits). Pour que le budget du silicium puisse atteindre l'équilibre, d'autres puits sont donc nécessaires: le puits de silice dû aux éponges siliceuses (Les éponges siliceuses ne sont pas un clade mais le terme désigne les éponges qui possèdent des spicules siliceux. Selon le nombre d'axes que possèdent ces spicules, on distingue deux clades d'éponges siliceuses :) (particulièrement abondantes dans les eaux riches en silice dissoute de l'Antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus méridional de la Terre. Situé au pôle Sud, il est entouré de l'océan Austral (ou océan Antarctique) et bordé par...) et du Pacifique Nord) pourrait être un bon candidat. L'incertitude sur ce puits est cependant telle que l'hypothèse d'un cycle du silicium à l'état non stationnaire dans l'océan moderne n'en demeure pas moins envisageable.


Cycle biogéochimique du silicium dans l'océan mondial à l'état d'équilibre.
La ligne pointillée représente la limite entre les estuaires et l'océan, les flèches grises les flux d'acide silicique
et les flèches noires les flux de particules de silice biogénique ;
tous les flux sont exprimés en tera (10^12)-moles de silicium par an.


Abréviations: FR(gross) / (net), apports fluviaux bruts / nets ; FRW, dépôts de silice biogénique dans les estuaires ; FGW, flux des résurgences ; FA, entrées éoliennes ; FH, entrées hydrothermales ; FW, entrées par dissolution des minéraux déposés sur les marges ; FP(gross), production brute de silice biogénique (diatomées) ; FD(surface), flux d'acide silicique recyclé dans le réservoir de surface ; FE(exportation), flux de silice biogénique exportée vers le réservoir profond ; FD(profond), flux d'acide silicique recyclé dans les eaux profondes ; FD(benthique), flux d'acide silicique recyclé à l'interface eau-sédiment ; FS(rain), flux de silice biogénique en sédimentation et atteignant l'interface eau-sédiment; Fupw/ed, flux d'acide silicique transféré du réservoir profond à la couche de surface (upwelling, diffusion turbulente) ; FB(netdeposit), dépôt net de silice biogénique dans les sédiments côtiers et abyssaux ; FSP, puits net de silice biogénique du aux éponges des plateaux continentaux.


Notes:

(1) Tréguer P., Nelson D.M., van Bennekom A.J., DeMaster D.J., Leynaert A., Quéguiner B. (1995) The balance of silica in the world ocean: a re-estimate. Science, 268: 375-379.

(2) Le temps de résidence du silicium se situe entre ceux de l'azote (< 3 000 ans) et du phosphore (30 000 à 50 000 ans)


Référence:

Tréguer P. & De La Rocha C., The world ocean silica cycle, Annual Review of Marine Science, 2013, doi:10.1146/annurev-marine-121211-172346.


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Source: CNRS - INSU