Les océans couvrent plus de 70 % de la surface de la Terre et jouent un rôle essentiel dans la régulation du climat. Ils absorbent une part importante du CO₂ présent dans l’atmosphère grâce à un processus naturel appelé pompe biologique : le phytoplancton capte le carbone par photosynthèse, puis, en fin de vie, ses cellules s’agrègent avec d’autres matières pour former ce que l’on appelle la neige marine. Plus lourds que l’eau, ces agrégats descendent vers les profondeurs, contribuant ainsi au stockage du carbone.
La formation et le devenir de cette neige marine restent encore mal connus. Les modèles climatiques existants, qui s’appuient sur des modèles océaniques pour estimer la quantité de carbone transférée en profondeur, ne parviennent pas à reproduire fidèlement les observations faites sur le terrain ou en laboratoire. L’une des raisons avancées par la communauté scientifique concerne la porosité de la neige marine : elle influence directement la densité des particules et donc leur capacité à couler. Pourtant, ce paramètre n’est pas intégré dans les modèles actuels.
Qu’est-ce que la neige marine ?
La stratification de l’océan joue également un rôle clé. L’eau de mer s’organise en couches de densité différente, et l’une d’elles — la pycnocline — se situe généralement autour de 100 mètres de profondeur. Dans cette zone, où la densité change rapidement, l’activité bactérienne est particulièrement intense. La neige marine peut y être retenue, au lieu de poursuivre sa descente vers les grandes profondeurs, ce qui favorise sa dégradation et la reminéralisation du carbone qu’elle transporte. Une partie de ce carbone peut alors être réémise dans l’océan ou dans l’atmosphère.
Pour mieux comprendre ces mécanismes, Marie Poulain-Zarcos mène une étude sur la porosité de la neige marine au Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique (LMFA) de Centrale Lyon, avec le soutien du programme STEP et de la Fondation Centrale Lyon. Ses travaux visent à déterminer comment la structure interne de ces agrégats, combinée à la stratification de l’océan, influence leur vitesse de chute et leur capacité à transporter du carbone jusqu’aux abysses.
À terme, elle ambitionne de développer des lois physiques intégrables dans les modèles océaniques, afin d’améliorer la précision des prévisions climatiques.
🔬 Comment étudier la neige marine en laboratoire ?
Pour analyser le comportement de ces particules, la chercheuse utilise une grande cuve dans laquelle elle reproduit les différentes couches de l’océan.
Comme il est difficile de manipuler directement de la neige marine naturelle, elle travaille avec une neige marine idéalisée : des particules imprimées en 3D au FabLab de l’École, dont la taille est similaire à celle des plus gros agrégats naturels.
Leur porosité est finement contrôlée, allant de 0 % (particule pleine) à 95 %, ce qui lui permet d’isoler l’effet de ce paramètre sur la sédimentation.
Pour observer leur mouvement dans la cuve, elle utilise une technique d’ombroscopie : un éclairage d’un côté, une caméra de l’autre, afin de filmer l’ombre des particules et de suivre leur trajectoire dans différentes configurations, stratifiées ou non.
Ces expériences permettront ensuite d’être complétées par des mesures sur des échantillons biologiques, pour encore mieux se rapprocher du comportement réel de la neige marine dans l’océan. L'approche permettra à terme une modélisation basée sur la physique de la pompe à carbone pouvant plus facilement incorporer les modifications possibles induites par le changement climatique.