Forer pour les secrets climatiques de la Terre enfouis sous la mer — WHYY

Une équipe de scientifiques sur le forage JOIDES Resolution pour les carottes de sédiments au large des côtes du Portugal - une zone riche en informations sur l'histoire de la Terre.

L'équipe scientifique de l'expédition 397 arrive à la résolution JOIDES à Lisbonne, au Portugal. (Avec l'aimable autorisation de Sandra Herrmann, IODP JRSO)

Cette histoire est tirée de The Pulse, un podcast hebdomadaire sur la santé et la science.

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Avant l'aube d'une journée venteuse, deux douzaines de climatologues frissonnent sur le pont supérieur d'un navire de recherche, regardant les remorqueurs les éloigner du port de Lisbonne et les lancer dans une aventure de deux mois en 13 ans.

La résolution JOIDES transporte les chercheurs sous le pont suspendu du 25 avril, devant le monument des découvertes et en pleine mer. Leur destination ? Une série d'arrêts où ils prévoyaient de forer profondément dans le fond marin à la recherche de secrets climatiques qui se sont accumulés au cours de millions d'années.

Ce domaine de la science du climat est connu sous le nom de paléoocéanographie - l'étude des océans dans le passé - et l'un de ses fondateurs était le regretté scientifique britannique Sir Nicholas Shackleton. Si le nom Shackleton vous semble familier, c'est probablement parce que Nick était un petit-neveu de l'explorateur antarctique Sir Ernest Shackleton. Là où son célèbre grand-oncle voulait aller loin pour tracer de nouveaux territoires, Nick Shackleton voulait aller plus loin. Il a recueilli des cylindres de boue - appelés carottes de sédiments - sous l'océan pour reconstituer une image plus claire du passé.

En analysant les couches de sable et de roche, pleines de microfossiles et de minéraux, dans ces noyaux, Shackleton a pu calculer la température de l'air et de l'eau et la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère il y a des centaines de milliers d'années. Et il a également déterminé que l'océan Atlantique Nord, juste au large des côtes du Portugal, est un endroit critique pour mener de telles études.

Son travail scientifique a valu à Shackleton une grande renommée dans son domaine et de nombreux prix et médailles. Mais il est décédé en 2006 d'un cancer, avant d'avoir pu terminer un projet majeur. Il voulait forer des carottes de sédiments dans une zone au large de la côte portugaise où le fond de l'océan présente des collines et des canyons qui recueillent des sédiments du continent européen voisin. C'est aussi un endroit où les océanographes ont identifié des masses d'eau des régions arctique et antarctique. Les travaux de Shackleton ont montré que cet emplacement donnerait probablement aux scientifiques des noyaux qui leur permettraient de créer un enregistrement continu de l'histoire du climat de la Terre remontant à 3 à 5 millions d'années.

Deux chercheurs, amis de longue date de leurs années d'études supérieures à l'Université de Rhode Island, ont décidé de présenter une demande pour terminer les travaux de Shackleton en 2009. David Hodell, un Américain qui a déménagé au Royaume-Uni en 2008, est à l'Université de Cambridge, au Département des sciences de la Terre, où Shackleton a passé sa carrière. Fatima Abrantes dirige un laboratoire à l'Institut portugais de la mer et de l'atmosphère à Lisbonne et ensemble, les deux sont co-chefs de recherche de l'Expédition 397 du Programme international de découverte des océans.

Après environ 12 heures de mer, le navire s'arrête et abaisse 12 énormes propulseurs. Ce sont de grandes hélices enfermées dans des tubes métalliques qui permettent à l'équipage du navire de maintenir le navire en place.

À 470 pieds de long, la JOIDES Resolution est une plate-forme pétrolière flottante des années 1970 qui a été entièrement remodelée pour forer pour la science au lieu des combustibles fossiles dans les années 1980. Dominant son pont se dresse un derrick de 200 pieds de haut. Imaginez une grande pyramide ouverte en forme d'échelle, le genre de chose que vous pourriez voir sur un champ pétrolifère. Le navire transporte un mile de tuyau qui est assemblé section par section pour former ce qu'on appelle le train de tiges. Il tourne et tourne, s'étendant du haut du derrick à travers un trou dans le navire appelé "piscine lunaire", puis plongeant à travers environ 15 000 pieds d'eau jusqu'au fond de l'océan.

Lorsqu'il atteint le fond marin, le tuyau fore dans les sédiments, créant un trou. Ensuite, l'équipe de forage laisse tomber un tube en plastique de 30 pieds de long dans le tuyau. Il a une pointe en métal et lorsqu'elle pénètre dans le trou, elle s'enfonce plus profondément jusqu'à ce que toute la longueur du tube en plastique se remplisse de boue.

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À ce stade, l'équipage utilise une série d'outils pour ramener le tube en plastique sur le pont et le remettre aux techniciens scientifiques. Ils attendent avec des casques, des lunettes de sécurité et des bottes à embout d'acier pour apporter la carotte de sédiments sur une passerelle à l'extérieur des laboratoires scientifiques. C'est là que la recherche commence.

L'un après l'autre, les tubes vides plongent dans l'océan et les sédiments, retournent sur le pont du navire et sont guidés par les nombreuses analyses disponibles à bord.

La raison pour laquelle Abrantes et Hodell, et Shackleton avant eux, voulaient forer à ces endroits est que le fond marin ici a un taux de sédimentation élevé - c'est la vitesse à laquelle le sable, le pollen et les minuscules créatures se déposent sur le fond marin. C'est ce qui crée, au fil des millénaires, les couches d'informations recherchées par les scientifiques. Ce processus est ici environ 10 fois plus rapide que dans d'autres parties de l'océan.

Hodell dit que dans les années 1990, Shackleton a fait une découverte révolutionnaire à cet endroit même, inspirant cette expédition. Ce voyage n'était pas sur un navire de forage. Au lieu de cela, ils ont utilisé une technologie qui ne permettait que des cœurs plus courts. Sur la résolution JOIDES, les scientifiques peuvent remonter des carottes de sédiments jusqu'à 1 600 pieds sous le fond marin. Les carottes de Shackleton provenaient de moins de 150 pieds dans les sédiments. Mais Hodell dit que Shackleton a encore beaucoup appris d'eux.

"Il a démontré que l'enregistrement de surface ressemblait exactement au Groenland et … l'enregistrement de fond ressemblait exactement à l'Antarctique", a déclaré Hodell. En d'autres termes, Shackleton a découvert que la boue qu'il a extraite juste sous le fond de l'océan a révélé les mêmes détails que ceux trouvés dans les carottes de glace des pôles.

"Cela a dû être comme un moment d'Eureka pour dire, 'Aha ! Cela ressemble exactement au record de la carotte de glace du Groenland, et cela ressemble au record de la carotte de glace de l'Antarctique", a déclaré Hodell. "Il a écrit de très nombreux articles à ce sujet."

Cette percée était énorme car elle signifiait que les microfossiles et le pollen et tout ce qui compose les sédiments de la marge ibérique, cette zone au large de la péninsule ibérique, pourraient aider à reconstituer une image plus détaillée du climat mondial à des moments précis de la Terre. histoire.

Il faut beaucoup d'analyses chimiques et d'heures au microscope pour analyser des échantillons, mais Hodell dit qu'il n'y a aucun autre endroit dans les océans du monde qui capture des enregistrements comme ceux-ci.

"C'est un peu époustouflant, qu'un endroit dans l'océan, une carotte de sédiments, puisse avoir des liens et des composants aux deux pôles ainsi qu'au continent européen", a-t-il déclaré, "mais c'est ce qui rend cette marge ibérique si spécial."

Avant la découverte de Shackleton, les détails sur les températures de l'air et de l'eau polaires provenaient des carottes de glace. Cela signifiait que les chercheurs ne pouvaient étudier les conditions qu'aussi loin qu'il y avait de la glace - environ 800 000 ans en Antarctique et moins de 150 000 ans au Groenland.

Maintenant, ils peuvent utiliser les sédiments d'ici pour créer une image de ce à quoi ressemblaient les pôles lorsque la Terre était beaucoup plus chaude. Cela contribuera à rendre les modèles climatiques actuels plus robustes. Une meilleure compréhension des climats passés pourrait également aider les gens à se préparer aux changements à venir. Shackleton est le premier à avoir vu ce potentiel.

"Nous sommes juste en train de réaliser, je pense, son souhait, son rêve", a déclaré Hodell.

Le travail du défunt scientifique, même son esprit, pèse lourd sur cette mission. Hodell n'a jamais collaboré directement avec Shackleton ni participé à une expédition de carottage avec lui. Mais Abrantes l'a fait.

Elle était sur un navire avec Shackleton au milieu des années 1990 et dit qu'ils travaillaient essentiellement 24 heures sur 24, extrayant des carottes et prélevant des échantillons à étudier.

"Nous serions quatre heures de travail, quatre heures d'échantillonnage, quatre heures de repos", a-t-elle déclaré, "Et nous avons échantillonné, également ensemble, tous les deux, et c'était très amusant."

Elle a une photo d'eux se préparant à déposer un tuyau sur le côté d'un bateau. Sur la photo, Shackleton porte un short et des sandales - ce qui ne serait pas autorisé aujourd'hui - pour des raisons de sécurité. Abrantes dit qu'il ne mettait des chaussures à lacets que lorsqu'il jouait de la musique.

"Il a pris ça tellement au sérieux que c'était la seule fois où il mettait un costume et portait des chaussures", a-t-elle déclaré à propos de ses activités musicales. Parallèlement à son succès scientifique, il était également un joueur de bois et un collectionneur accompli.

"Il m'a dit un jour que la musique était sa vie, la science était son passe-temps."

Le travail révolutionnaire de Shackleton en a inspiré beaucoup, y compris les deux douzaines de scientifiques Abrantes et Hodell réunis pour forer la marge ibérique et débloquer leurs propres découvertes. Les scientifiques espèrent montrer comment le climat de la Terre a changé tous les mille ans au cours des 3 à 4 derniers millions d'années, ce qui constituerait un enregistrement extrêmement détaillé et une entreprise énorme. Ils peuvent également apprendre comment ces couches de boue documentent les changements dans l'orbite terrestre.

Après environ deux semaines en mer, tube après tube de boue est remonté du fond, parfois jusqu'à 50 carottes par trou. Chaque carotte mesure environ 30 pieds de long et l'équipe perce plusieurs trous à chaque emplacement. Toutes les quelques heures, ils remettent des noyaux à des techniciens scientifiques, qui sont des scientifiques qualifiés et des marins chevronnés responsables de la gestion des laboratoires du navire, de la conservation des noyaux et du soutien du parti scientifique. Au fur et à mesure que chaque noyau arrive sur le pont, les techniciens le mesurent soigneusement, puis le coupent en sections de trois à quatre pieds de long. Ceux-ci sont soigneusement étiquetés avec un graveur laser.

Ensuite, les sections commencent leur voyage à travers les nombreux laboratoires du navire sur des pistes qui les alimentent en différentes machines. Après cela, les techniciens utilisent une scie électrique pour couper les cylindres dans le sens de la longueur et les séparer. Enfin, les carottes sont ouvertes et les sédiments à l'intérieur sont exposés aux yeux humains pour la première fois. Chaque noyau est différent.

"Nous avons des sédiments bleus à de la craie totalement blanche pleine de forams à des sédiments rougeâtres pleins de verre", a déclaré Abrantes. Certaines espèces de forams, ou foraminifères, et de nannofossiles sont connues pour être en corrélation avec des périodes de temps spécifiques. Ainsi, lorsque les experts en microfossiles identifient l'espèce, ils peuvent établir grossièrement l'âge du sédiment.

Rapidement, il devient clair que les scientifiques ont largement dépassé l'objectif d'une boue vieille de 3 à 5 millions d'années. Dans le laboratoire de description de base, Jerry McManus, professeur à l'Université de Columbia, voit des choses inattendues dans la boue.

"Nous avons soudainement récupéré plusieurs noyaux qui étaient un peu plus vieux que 10 millions d'années, peut-être 14 millions d'années", a-t-il déclaré. "Et ils étaient spectaculairement variables."

Même avec un œil non averti, des couches claires et foncées de verts et de bruns sont visibles. Et la boue abrite toutes sortes de friandises à l'intérieur.

"Dans le sable, il y avait de gros morceaux de coquilles de mollusques et des choses qui seraient clairement tombées de quelque part très près du rivage, ou très près de la surface", a déclaré McManus. "Et tout cela a été une grande surprise, et c'étaient de beaux sédiments."

Malgré le frisson de l'inattendu, le rythme de la science à bord peut être implacable. Tout le monde travaille par quart de 12 heures pour atteindre l'objectif ultime : maximiser la quantité de sédiments recueillis.

Abrantes et Hodell ont trié sur le volet les membres du parti scientifique, qui viennent de près d'une douzaine de pays. Ils recherchaient une équipe possédant une vaste expérience et expertise. Abrantes dit que c'est aussi comme ça que Nick Shackleton a travaillé. Elle dit que Shackleton a toujours modélisé le travail en équipe vers la meilleure science, en mettant de côté la concurrence.

"Je pense que c'est une très bonne leçon pour les jeunes", a-t-elle déclaré, notant que l'expédition comprend plusieurs étudiants diplômés et chercheurs postdoctoraux, en plus de membres du corps professoral en début de carrière et de professeurs de longue date avec de nombreuses croisières de recherche derrière eux.

La chercheuse postdoctorale May Huang a grandi à Taïwan et a fait son doctorat à Hong Kong. Lorsqu'elle a rejoint l'expédition, elle terminait un postdoc au Smithsonian, et maintenant elle a commencé un autre postdoc à l'Université de Princeton. Elle a déjà navigué sur le JOIDES Resolution en tant qu'étudiante diplômée et partage cette fois un laboratoire de deux personnes avec un professeur titulaire de l'Université Brown, Tim Herbert. Huang a déclaré qu'elle appréciait de travailler dans une équipe qui dissout la hiérarchie universitaire.

"Quand j'ai grandi, nous n'avions pas le droit de poser des questions ou de défier nos aînés", a déclaré Huang. "Ici, tout le monde a une expérience différente, mais tout le monde est égal, et chacun peut contribuer à sa manière."

Elle sait écrire du code simple. Cette compétence lui a permis d'exécuter une idée qu'Herbert avait mais n'avait pas compris comment poursuivre.

L'étudiante diplômée Celeste Pallone, qui travaille sur un doctorat avec Jerry McManus à Columbia, trouve également que l'atmosphère à bord favorise les relations étroites.

"C'était génial de pouvoir parler et de devenir amis avec des gens qui sont à différentes étapes de leur carrière scientifique", a déclaré Pallone.

Sur le navire, Pallone travaille dans le laboratoire de description de base à l'opposé de McManus. Mais chez elle, elle a déjà son projet de doctorat en cours en utilisant une carotte au large de la côte pacifique de l'Amérique du Sud. McManus dit, une fois de plus, l'héritage de Nick Shackleton plane. En 2004, lui et Shackleton étaient censés naviguer ensemble sur le JOIDES Resolution, mais Shackleton est tombé malade et n'a pas pu y aller. McManus dit que Shackleton n'était vraiment intéressé que par un seul site lors de cette expédition. Ils l'ont foré sans lui.

"Et le lien avec ce jour même est que Celeste Pallone fait son travail de thèse sur ce même site", a déclaré McManus, "qui était le seul site que Nick Shackleton voulait étudier depuis cette expédition."

Après deux mois en mer, les scientifiques ont foré quatre sites, collectant de grandes quantités de boue. Ils ont révisé leurs plans de recherche originaux en réponse à des pistes de recherche inattendues qui ont émergé des noyaux.

Enfin, ils se rassemblent pour apporter le noyau final. Tout le monde est un peu étourdi. Ils ont ramassé quatre milles de boue. Une fois le noyau final remis — cette fois les techniciens invitent les scientifiques à travailler à leurs côtés sur le podium — Abrantes se tourne vers le groupe.

"Hé les gars, nous l'avons fait!" dit-elle. La collecte de boue est terminée et l'expédition touche à sa fin. Trois jours plus tard, des remorqueurs tirent le JOIDES Resolution dans le port de Tarragone, en Espagne. Les palettes de noyaux sont déchargées. Ils seront expédiés à des laboratoires en Europe et aux États-Unis. Les scientifiques rentrent chez eux.

Si l'aventure maritime est terminée, les découvertes n'ont pas encore vraiment commencé. David Hodell, co-scientifique en chef de l'expédition, prévient qu'ils pourraient prendre un certain temps.

"Il pourrait y avoir des choses éclatantes et flashy qui émergeront peu de temps après l'expédition", a-t-il déclaré. "Mais je suis plus intéressé par les trucs à combustion lente."

Ce sont des études qui pourraient prendre des années, voire des décennies. Assez longtemps pour que les plus jeunes membres de cet équipage encadrent une autre génération de paléoocéanographes, prolongeant ainsi l'héritage de Nick Shackleton.

Amy Mayer, journaliste indépendante, était l'officier de sensibilisation à bord de l'expédition 397.

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