Déterminer le rythme et la forme du verdissement de l'Arctique

«Nous avons vu des paysages où le pergélisol s'est en grande partie effondré sur de vastes zones», déclare avec beaucoup d'inquiétude Sebastian Doetterl, professeur de ressources en sol. Il vient de rentrer d'une campagne de terrain au Svalbard, un archipel situé à environ 78 degrés de latitude nord, où le thermomètre grimpe habituellement à 9 degrés Celsius en moyenne en été.

Avec 11 autres chercheurs et chercheuses de l'ETH Zurich, de l'Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage (WSL) et de plusieurs institutions partenaires norvégiennes, il s'était rendu sur place à la mi-juillet après des préparatifs longs, complexes et éprouvants. L'objectif de l'équipe était d'explorer le contexte et les mécanismes du phénomène connu sous le nom de «verdissement de l'Arctique» - et le Svalbard est un laboratoire de terrain idéal pour cela.

L'une des plus grandes et des plus difficiles entreprises

Il y a quelques jours à peine, Sebastian Doetterl était à genoux dans la toundra, vêtu d'un vêtement imperméable au vent et à la pluie et d'un bonnet de laine, pour prélever des échantillons de sol. Aujourd'hui, il est assis dans son bureau en short et en T-shirt. Il semble fatigué, mais le passage du froid de l'Arctique à la chaleur du mois d'août à Zurich n'est pas la seule raison: les recherches sur le terrain au Svalbard étaient elles-mêmes difficiles - ou plutôt les conditions générales qui y régnaient.

«En termes d'échelle et de difficulté, cette entreprise a vraiment fait de l'ombre à mes précédentes campagnes de travail sur le terrain», déclare Sebastian Doetterl. «Je n'ai jamais eu à faire face à des conditions aussi difficiles pour organiser une campagne de terrain que pour ce projet, et ce malgré le fait que nous effectuons également beaucoup de recherches sur le terrain dans des régions comme le Congo.»

Tout d'abord, la pandémie de coronavirus a retardé de plus d'un an le démarrage du projet. Ensuite, la Russie a déclenché sa guerre contre l'Ukraine en février, ce qui signifie que l'équipe de recherche n'a pas été autorisée à utiliser les infrastructures exploitées par l'État russe au Svalbard, dont elle dépendait largement pour accéder aux régions les plus reculées. Par chance et presque à la dernière minute, les partenaires norvégiens de l'équipe ont pu affréter un voilier et un équipage pour former une expédition au pied levé, de sorte que les l'équipe de recherche a eu un toit sur la tête et a pu atteindre ses zones d'étude.

Mais les problèmes n'étaient pas terminés: peu de temps avant le départ en juillet, une grève des pilotes de la compagnie aérienne scandinave SAS a remis toute l'aventure en question. «Si nos doctorantes n'avaient pas réagi aussi rapidement et réservé des vols pour tous les membres de l'expédition auprès d'autres compagnies aériennes, nous ne serions jamais arrivé·es au Svalbard», explique Sebastian Doetterl.

Explorer les changements écologiques dans l'Arctique

Longyearbyen, la capitale du Svalbard, est le point de départ de l'équipe d'écologistes végétaux, de pédologues, de géoécologistes et de microbiologistes qui, dans le cadre d'un projet ETH+, étudiera les modèles et mécanismes locaux du verdissement de l'Arctique au cours des prochaines années. Outre le groupe de Sebastian Doetterl, le projet implique des chercheurs et chercheuses dirigéss par Jake Alexander, Cara Magnabosco, Simone Fior (à l'ETH Zurich) et Aline Frossard (au WSL).

L'impulsion de ce projet de recherche est venue du fait que le réchauffement climatique modifie rapidement les écosystèmes. Ces changements se produisent à un rythme encore plus rapide dans l'Arctique qu'ailleurs dans le monde. Les températures dans le Grand Nord, par exemple, ont connu une augmentation beaucoup plus importante que les températures moyennes mondiales au cours des trois dernières décennies.

Cela entraîne non seulement la fonte des glaciers et du permafrost, mais modifie également les sols et les plantes de la toundra arctique. Entre 1984 et 2012, 30% de la toundra d'Amérique du Nord est devenue plus verte, selon une étude de la NASA. Mais la raison pour laquelle certaines zones de la toundra verdissent plus fortement et plus rapidement que d'autres est probablement liée à la fertilité des sols locaux, à l'hydrologie et au microclimat.

Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich et du WSL se concentrent notamment sur les plantes indigènes et introduites et sur la manière dont elles réagissent au réchauffement. Les scientifiques étudient également l'accélération du développement des sols et la modification des cycles biogéochimiques. À cette fin, ils et elles étudient les sols naturels de la toundra ainsi que les sols perturbés à proximité des habitations et les sols riches en nutriments à proximité des colonies d'oiseaux.

En outre, les chercheurs et chercheuses veulent découvrir le rôle que jouent les microbes dans la colonisation des jeunes sols par les plantes et comment les communautés microbiennes évoluent dans les sols mieux développés. À partir de leurs données, elles et ils espèrent finalement dériver un modèle qui incorpore les changements dans la végétation, les sols et les microorganismes et qui peut être utilisé pour prédire les changements futurs dans les écosystèmes arctiques et les cycles biogéochimiques qu'ils contiennent.

L'improvisation était à l'ordre du jour

Malgré toutes les difficultés rencontrées par l'équipe, Sebastian Doetterl et toute l'équipe sont très satisfaits du déroulement de l'expédition. «Sur place, presque tout s'est déroulé comme nous l'avions espéré», se réjouit-il. Tous les participants et participantes étaient très motivées; ils et elles se sont occupées les uns des autres et ont entretenu une très bonne relation de travail collégiale. «Ce n'est pas quelque chose que l'on peut considérer comme acquis sur un projet aussi difficile que celui-ci et dans des conditions parfois exiguës sur le navire», explique Sebastian Doetterl.

À l'exception d'un endroit - les autorités ont fermé une colonie en raison de la présence d'un ours polaire errant - les scientifiques ont pu accéder à toutes les zones d'étude comme prévu et prélever des échantillons: au total, 1,2 tonne de terre. Une partie de ce matériel congelé a été expédié à Zurich, où il sera analysé en laboratoire l'hiver prochain. En outre, des centaines d'échantillons de plantes et de semences ont été collectées pour des expériences à Zurich, ainsi que des centaines d'échantillons microbiologiques.

Recherche sur le Spitzberg

Pour préserver le matériel génétique que ces échantillons contenaient, il fallait les congeler immédiatement sur le terrain et les transporter dans de l'azote liquide à -80 degrés Celsius. Étant donné l'absence d'alimentation électrique pour ce faire en pleine nature, les scientifiques avaient envoyé à l'avance au Spitzberg un réservoir contenant 400 litres d'azote liquide à une pression de 4 bars. Mais le réservoir s'est mis à fuir et, lorsqu'il a atteint l'île après trois semaines de stockage à Tromsø, il ne contenait plus que 100 litres. La pression était tombée à 1 bar : «C'était à peu près suffisant», explique Sebastian Doetterl.

Les scientifiques ont également dû improviser des équipements pour faire face à une erreur logicielle qui a provoqué l'écrasement au sol de l'un des trois drones qu'ils et elles avaient emmenés lors de sa toute première mission. Cependant, les caméras qu'il transportait étaient intactes. Improvisant une nouvelle solution sur place, les chercheurs et chercheuses ont monté les capteurs à l'extrémité d'un poteau métallique de 4 mètres de long et ont pris des images spectrales pour tous leurs sites d'étude d'une manière qui prenait du temps, mais néanmoins avec une qualité et une résolution élevées.

Travaux de laboratoire et voyage dans le nord de la Norvège

La première saison intensive sur le terrain sera maintenant suivie de nombreux travaux de laboratoire et d'une autre mission sur le terrain l'été prochain. L'équipe y étudiera les sols, les communautés microbiennes et l'écologie des plantes dans la toundra du sud du Bas-Arctique, en Norvège. Cet habitat est l'équivalent plus chaud de la toundra du Haut-Arctique du Svalbard. Ensuite, il sera temps d'analyser les nombreuses données, qui serviront de base à une analyse des futurs cycles biogéochimiques dans l'Arctique en mutation et à leur mise en œuvre dans des modèles de surface terrestre. Dans l'ensemble, le projet devrait se poursuivre jusqu'en 2025.

Si ce projet s'est si bien déroulé malgré toutes les adversités, c'est grâce aux trois doctorantes impliquées: Jana Rüthers, Lena Bakker et Sigrid Trier Kjaer. «Ce sont elles qui ont si bien organisé toute la logistique, ce qui a sauvé le projet. C'est une grande réussite», se réjouit Sebastian Doetterl.