IRP SPOC : EL NIÑO ET LE SYSTEME D’UPWELLING PERUVIEN, des Origines Cénozoiques aux Changements anthropiques

IRP SPOC entre l’UMR7159 Laboratoire d’océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques et le Centro de Investigación para el Desarrollo Integral y Sostenible, Lima, Pérou

L’extraordinaire productivité de l’upwelling péruvien, enjeu économique majeur, est menacée par une désoxygénation croissante, l’acidification de l’océan, et des évènements El Niño dont les impacts sont ici les plus dévastateurs. L’IRP SPOC propose de consolider, sous la coordination du LOCEAN, un partenariat triangulaire entre six laboratoires français (25 participants), l’Université péruvienne Cayetano Heredia (UPCH) (8 participants) et l’Institut de la mer du Pérou (IMARPE) (27 participants). En intégrant observations in-situ et paléoclimatiques, expérimentation et modélisation, les équipes évalueront les forçages de la variabilité d’El Niño, de l’upwelling, de la productivité et de l’oxygénation, sur des échelles de temps géologiques à saisonnières, ainsi que les impacts sur les écosystèmes. L’estimation de la sensibilité du système et des incertitudes des projections permettra une évaluation des risques socio-économiques associés aux changements anthropiques, en particulier pour la mariculture d’Argopecten purpuratus. Le transfert de savoir vers la société sera assuré à travers l’ENFEN et le “CITE acuicola” de l’UPCH. L’IRP SPOC bénéficiera du parc analytique et de la puissance de calcul disponible au LOCEAN, des équipements océanographiques et des bases de données de l’IMARPE, et des laboratoires de l’UPCH. Dans la continuité des collaborations passées et actuelles, l’IRP sera étroitement lié à la formation, de la License au doctorat, pour la construction d’une structure internationale durable. 

Mots clés: Variabilité climatique, désoxygénation, acidification, pacifique Est, paléoclimat, mariculture

Contexte et historique de la collaboration  

Une collaboration scientifique solide existe aujourd’hui entre la France et le Pérou dans le domaine de l’océanographie, de la climatologie et de la géologie, construite par l’IRD en particulier grâce à 2 laboratoires mixtes internationaux (LMI) et des expatriations de chercheurs (dont 3 du LOCEAN + 1VIA et 3 du GET) au cours des 10 dernières années. Cette coopération s’est traduite par une importante production scientifique, des thèses de doctorat et de master en co-tutelle, la création et consolidation d’un programme de master en Sciences de la mer à l’UPCH, un programme de bourses de doctorat franco-péruvienne. A partir de 2017, grâce au projet CONCYTEC MAGNET (co-dir D. Gutiérrez (UPCH/IMARPE) et M. Carré (LOCEAN)), qui visait à rapatrier de jeunes chercheurs péruviens, un groupe s’est constitué à l’UPCH permettant l’obtention de nombreux financements complémentaires de recherche. Actuellement, deux nouveaux projets de recherche (~800k€ chacun) associés à des rapatriements sont financés par le FONDECYT (Pérou) et sont coordonnés chacun par un duo franco-péruvien de chercheurs impliquant le LOCEAN, l’un à l’UPCH (J. Cardich /M. Carré) et l’autre à l’IMARPE (J. Tam / F. Colas). Ces projets se terminent début 2022, et la mise à disposition actuelle de M. Carré à l’IRD et son affectation à l’UPCH se terminent en juin 2022. Tandis que le GDRI “Dexicotrop” (F. Colas), qui démarre actuellement, anime un réseau de collaboration à l’échelle régionale (France, Mexique, Equateur, Pérou, Chili) sur les évènements extrêmes dans le Pacifique Est, l’IRP SCOP permettra de façon complémentaire de soutenir une collaboration bilatérale ciblée sur le phénomène El Niño et le système d’upwelling, tout en s’appuyant sur les coopérations existantes. Voir Annexe pour le détail de l’historique des projets de collaboration.

Description du projet scientifique  

Contexte: L’upwelling péruvien génère les conditions les plus productives mais aussi les plus froides du Pacifique tropical lui conférant ainsi un rôle majeur dans les couplages océan-atmosphère. Au coeur de la plus vaste et intense zone de minimum d’oxygène, les conditions d’hypoxie y sont les plus proches de la surface. Ces conditions océanographiques extrêmes font de l’upwelling péruvien un secteur d’observation stratégique dans le contexte de changement climatique. La productivité du système alimente une industrie halieutique et de mariculture d’une importance économique majeure pour le Pérou (premier producteur mondial de farine de poisson, et de coquilles St Jacques, Argopecten purpuratus). 

Les émissions anthropiques de CO2 font peser des risques élevés sur ce système. Les impacts les plus extrêmes des évènements El Niño sont observés sur la côte péruvienne, avec des anomalies de température de la mer pouvant atteindre 8°C, provoquant des pluies catastrophiques, des efflorescences algales toxiques, des conditions d’anoxies, et des mortalités massives dans l’écosystème et dans la mariculture. La production d’A. purpuratus, entièrement en conditions naturelles, est particulièrement vulnérable (la production du nord du Pérou a été anéantie lors de l’El Niño côtier de 2017). Ces risques tendent à s’aggraver avec l’influence de l’acidification et de la désoxygénation de l’océan, et l’augmentation de fréquence des anoxies côtières. 

Etat de l’art: Il faut remonter à la fin du Miocène pour retrouver des conditions équivalentes au forçage radiatif actuel. Le système de courant de Humboldt était alors plus chaud, alimentant un climat côtier plus humide et un écosystème aujourd’hui disparu (Ochoa et al., 2021). Il est encore nécessaire de déterminer les forçages climatiques globaux et tectoniques régionaux à l’origine des caractéristiques modernes du système de courant de Humboldt. Si les réponses futures d’El Niño et de l’upwelling péruvien en condition de réchauffement global sont encore très incertaines dans les simulations climatiques, elles peuvent être évaluées grâce aux perspectives longues reconstruites d’après les archives naturelles. L’hypothèse de Bakun prédisant une intensification des upwellings avec le réchauffement global est soutenue par la tendance séculaire reconstruite d’après les sédiments marins, notamment au Pérou (Gutiérrez et al., 2011). Les bivalves fossiles du dernier interglaciaire montrent une variabilité d’El Niño au Pérou deux fois plus élevée qu’aujourd’hui durant la phase maximale de réchauffement global, révélant une potentialité de variation bien supérieure à ce qu’on imaginait (Carré et al., 2020; projet INSU-LEFE). Les perspectives paléocéanographiques ont montré également l’existence d’un basculement abrupt des conditions de circulation et une chute de l’oxygénation vers 1820 (Gutiérrez et al., 2009), un passé proche mais au-delà du registre instrumental. Comprendre les processus de cette variabilité requiert l’usage de simulations, notamment par des modèles régionaux. Les simulations régionales réalisées pour le scénario futur RCP8.5 convergent vers un réchauffement mais montrent une grande incertitude pour la biogéochimie et les conditions d’oxygénation (Echevin et al., 2020). Des comparaisons modèles-données à partir de simulations régionales sont nécessaires sur des scénarios passés. Contraindre les incertitudes de ces projections est en effet indispensable pour une évaluation des risques socio-économiques et définir des stratégies d’adaptation, en particulier pour la mariculture (Aguirre-Velarde et al., 2019). Ces quelques résultats, issus de la collaboration franco-péruvienne, démontrent le dynamisme des équipes de l’IRP SPOC. 

L’originalité et le potentiel de l’IRP SPOC résident 1) dans l’intégration multidisciplinaire des observations et processus sur le temps long (10² à 106 années) et sur le temps court (saisonnier à décennal), nécessaire dans une tendance de changement climatique d’échelle séculaire dont les impacts les plus graves s’observent lors d’évènements extrêmes saisonniers ou interannuels; 2) dans un continuum partant des connaissances fondamentales des processus de variabilité et d’impact, jusqu’à la réponse aux attentes socio-économiques d’évaluation et de gestion des risques liés aux évènements El Niño, aux évènements d’anoxie côtière, et de transfert technologique pour une adaptation de la mariculture. 

Les objectifs scientifiques de l’IRP SPOC se structurent selon 3 axes de recherche :

AXE 1: Réponse de l’ENSO et de l’upwelling péruvien aux forçages externes

  • Du Néogène au Pleistocène: Etapes et mécanismes vers le système de Humboldt moderne      – Réponses de l’ENSO et de l’upwelling péruvien aux changements climatiques globaux du passé.
  • Modélisation régionale du système de Humboldt en conditions passées, actuelles et futures.  AXE 2: Productivité primaire et oxygénation
  • Traceurs paléocéanographiques de l’oxygénation de l’océan
  • Caractérisation de la variabilité naturelle de la productivité et de l’OMZ au Pérou 
  • Déterminants des anoxies côtières au Pérou et risques futurs

AXE3: Réponse de l’écosystème et adaptation

  • La route évolutive vers l’écosystème côtier actuel
  • Impacts de l’acidification sur la productivité marine calcifiante
  • Stratégies d’adaptation de la mariculture face aux risques climatiques

Résultats attendus et perspectives: L’IRP SPOC prolongera et consolidera une longue collaboration scientifique entre le LOCEAN, l’UPCH et l’IMARPE. Les réunions de l’IRP viseront à l’intégration des jeunes chercheurs dans une dynamique internationale, et à animer les échanges nécessaires aux co-publications et à la co-construction de demandes de financements (ANR, UE, CONCYTEC, INSU) pour la réalisation des objectifs de recherche. L’IRP SPOC apportera une compréhension intégrée du fonctionnement du système d’upwelling péruvien et des risques liés aux changements globaux anthropiques. Le transfert vers les besoins sociétaux sera assuré grâce aux liens avec la commission ENFEN (4 participants de l’IMARPE), et avec le CITE Acuicola de l’UPCH (7 participants de l’UPCH). La création d’un IRL en 2027 est envisagée.  Relation avec les thématiques des laboratoires: Les objectifs scientifiques et les méthodologies s’intègrent parfaitement dans les thématiques du LOCEAN (Laboratoire d’Océanographie et du Climat: approches numériques et expérimentales). SPOC implique 11 chercheurs et ingénieurs provenant de 3 équipes du LOCEAN (VALCO, VARCLIM, PROTEO). L’IRP renforcera le chantier “Pacifique Sud-Est”, et contribuera aux priorités scientifiques du laboratoire définies par les axes de recherche “Variabilité tropicale”, “Upwelling”  et “Forçages abiotiques sur les écosystèmes”. Le changement climatique et la variabilité sur les échelles de temps longues sont au centre des objectifs des laboratoires LSCE (équipe MERMAID – Modelling the Earth Response to Multiple Anthropogenic Interactions and Dynamics), GET (équipe LOA – Couplages Lithosphère – Océan – Atmosphère), LPG (équipe “Changing Marine Systems”), ISEM (équipe “Paléoclimat”). Le LEMAR apporte une expertise sur les impacts sur les écosystème et la mariculture (Equipe DISCOVERY – Ecologie Marine; Axe “Impacts des changements environnementaux”). Du côté péruvien, l’IMARPE est l’organisme national d’étude océanographique impliquant la paléocéanographie, l’observation des changements actuels, la modélisation physique et biogéochimique, et joue un rôle régulateur et de transfert technologique pour les activités économiques liées à la mer. L’UPCH développe depuis une dizaine d’année une ligne de recherche en sciences de la mer grâce à l’impulsion des collaborations avec l’IRD, le LOCEAN et l’IMARPE, qui se renforce rapidement depuis 2017, tant sur le plan de la formation que de la recherche. 

Valeur ajoutée de la collaboration internationale pour atteindre les objectifs du projet  

La réalisation des objectifs scientifiques requiert des observations in-situ, des prélèvements d’échantillons de terrain (eau, sédiments, fossiles, restes archéologiques, spécimens vivants), ainsi que des expérimentations de laboratoire (écophysiologie d’A. purpuratus) et de terrain (systèmes de sauvetage des bancs de production d’A. purpuratus) qui ne peuvent se réaliser sans la collaboration scientifique et technique des institutions locales. L’IMARPE et l’UPCH apportent aux laboratoires français non seulement une expertise scientifique de terrain mais également l’accès à des moyens d’observation (flotte océanographique, échantillonneurs, carottiers, bouées, gliders), des collections et bases de données locales (physiques, biologiques, paléontologiques), et des laboratoires pour les préparations d’échantillons dont certains sont difficilement exportables pour leur valeur patrimoniale paléontologique ou archéologique. Les laboratoires français apportent de leur côté une expertise de niveau international qui stimule à la fois la recherche et la formation locale, des plateformes analytiques (spectromètres de masse), une puissance de calcul supérieure et l’accès au modèles CROCO (océan régional), PISCES (biogéochimie) et IPSL-CM6 (système Terre). Le partenariat de SPOC permet donc une mise en commun de moyens techniques importants et complémentaires. L’implication est forte également sur le plan des moyens humains, avec 25 participants français et 35 participants péruviens (sans compter les étudiants actuels et à venir). Tous les partenaires ont contribué à la collaboration par des financements importants au cours des dernières années (France: deux LMI sur 10 ans chacun, INSU-LEFE, ANR/JCI-Belmont PACMEDY, ECOS-Nord; Pérou: CONCYTEC-Magnet (~700k€, UPCH), CONCYTEC-Incorporación (~800k€ UPCH, ~800k€ IMARPE), CONCYTEC-ciencia básica y aplicada (~500k€, UPCH)). Le LOCEAN bénéficie d’une collaboration unique avec le Pérou qui renforce sa position.

Sur le plan institutionnel, SPOC consolide un partenariat triangulaire d’institutions alliant les laboratoires français, la formation et recherche académique (UPCH) et la recherche océanographique gouvernementale péruvienne (IMARPE), construit en grande partie grâce au LOCEAN et l’IRD, et qui a démontré son efficacité. SPOC apportera immédiatement au CNRS une implantation forte dans un pays où il n’est actuellement que très peu présent, créant un rapprochement synergique avec l’IRD, grâce notamment à la complémentarité avec le GDRI Dexicotrop (PI F. Colas) et le JEAI Dysrup (PI A. Aguirre, J. Flye). Le Pérou, conscient de son retard scientifique, est actuellement dans une phase de reconstruction de son système de recherche et d’investissements, avec une forte demande pour les partenariats internationaux. Il est stratégique pour les laboratoires français d’accompagner cette transformation. 

Description des activités prévues dans le cadre du projet et planning   

SPOC organisera quatre workshops (Lima: Mai 2022 et Septembre 2024; France: Juin 2023 et Septembre 2026) en mode présentiels (ou semi-présentiels selon les circonstances sanitaires) et au moins une session dans un congrès scientifique international (2025). Les workshops, d’une durée d’une semaine, auront pour objectif 1) l’intégration des jeunes chercheurs dans une dynamique internationale, 2) le partage de résultats, 3) la co-élaboration de réponses aux appels à projet de recherche (CONCYTEC, ANR, EU, CNRS-INSU, IRD (bourses et MLD)), 4) la co-écriture de publications, 5) la découverte des laboratoires des partenaires. Les workshops péruviens seront suivis de campagnes de terrain. SPOC soutiendra également les projets de recherche d’étudiants co-encadrés (License, Master, Doctorat). Les activités de recherche proprement dites s’articuleront en fonction des financements obtenus et des projets d’étudiants. 

Participation d’étudiant(e)s et /ou jeunes chercheurs et chercheuses aux activités du projet 

La formation par la recherche est centrale dans le partenariat LOCEAN-UPCH-IMARPE. SPOC soutiendra la pérennisation d’un nouveau groupe de jeunes chercheurs, constitué en 2017 à l’UPCH grâce à des financements péruviens et sous la coordination scientifique de M. Carré, notamment à travers deux nouveaux cursus universitaires lancés par le groupe: License de Biologie marine (dir. J. Cardich) et License d’Ingénierie aquicole (dir. A. Pérez), en collaboration avec l’IMARPE. Cette formation est complétée par le programme de Master en Science de la Mer (dir. D. Gutierrez, dans lequel 5 chercheurs de l’équipe française enseignent) renforcé par le programme ERASMUS+, l’école doctorale Franco-Péruvienne en Science de la vie (CONCYTEC/IRD/Ambassade de France), et une proposition sera soumise pour un nouveau programme de doctorat en Science de la mer (CONCYTEC/UPCH). Une grande partie des chercheurs français de SPOC ont co-encadré (ou co-encadrent actuellement) des étudiants péruviens. Les workshops de l’IRP donneront une large place aux présentations des jeunes chercheurs et étudiants. Les projets de recherche collaboratifs incluent systématiquement des bourses et des participations à des conférences scientifiques pour les étudiants. Une partie des crédits de l’IRP sera utilisée pour du matériel et des consommables des projets étudiants co-encadrés. 

Qualité scientifique des équipes 

Toutes les équipes dirigent des projets de recherche, encadrent des doctorants et ont publié des travaux importants dans la thématique de l’IRP SPOC. Voir annexes “Historique de collaborations” contenant une sélection de publications, et CVs des coordinateurs. 

    Participants

    • Mathieu Carre, Coordinator France
    • Jorge Cardich, Coordinator Peru