neige arctique

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Jusqu'à présent, les scientifiques pensaient que le manteau neigeux arctique sec (température inférieure à 0°C) était biologiquement inactif et donc que durant l'hiver polaire, en l'absence de lumière, il n'émettait aucun composé. Or, une équipe franco-italienne, constituée de chercheurs du Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement (LGGE), du Laboratoire d'écologie alpine (LECA) et du CNR de Rome, vient de mettre en évidence que même en l'absence d'eau liquide la neige est un réacteur biologique très actif. Cette activité métabolique se traduit par des émissions d'oxydes d'azote durant l'hiver polaire, ce qui pourrait représenter une nouvelle source de ces oxydes à ces hautes latitudes.

Les scientifiques ont longtemps considéré le manteau neigeux comme un milieu chimiquement et biologiquement inerte. Il y a une dizaine d'années, ils se sont aperçus que des réactions photochimiques(1) avaient lieu dans la neige. En résumé, la photolyse des ions nitrate (NO3-), impureté présente dans la neige à des concentrations micromolaires, produit des oxydes d'azote (NO et NO2), de l'acide nitreux (HONO) et d'autres composés gazeux réactifs, qui tous diffusent ensuite dans l'atmosphère polaire, modifiant considérablement la chimie dont elle est le siège, au point par exemple que durant l'été la teneur en molécules oxydantes (notamment le radical OH) au Pôle Sud est du même ordre qu'à l'équateur. Une autre illustration marquante de l'impact de cette photochimie est qu'au printemps, l'atmosphère est aussi polluée au-dessus de certains glaciers himalayens que dans les mégalopoles asiatiques, à cause d'interactions chimiques entre les produits de la photolyse du nitrate et les aérosols organiques provenant du subcontinent indien et déposés sur la neige de ces glaciers, ces réactions produisant comme dans les centres-villes des oxydes d'azote, de l'ozone et des polluants organiques.

Outre diverses impuretés chimiques, la neige contient aussi de nombreux microorganismes (bactéries, archées, levures et algues), dont le métabolisme modifie la composition chimique de la neige et conduit à des échanges de composés entre l'atmosphère et la neige. Cependant, l'activité de ces microorganismes se révèle surtout à la fonte du manteau neigeux, lors de l'apparition d'eau liquide favorable à la vie, de telle sorte que le manteau neigeux sec (température inférieure à 0°C) était jusqu'à présent considéré comme biologiquement inactif, à quelques rares exceptions près.

Or, une campagne franco-italienne au Svalbard (Arctique européen, 79 °N) dont l'objectif initial était l'étude des réactions chimiques dans le manteau neigeux, a récemment mis en évidence, dans un manteau neigeux froid et donc en l'absence d'eau liquide, l'existence d'un métabolisme de ces microorganismes impliquant l'azote.
L'élément qui a permis de suspecter cette activité métabolique a été la détection par les instruments de l'équipe italienne d'émissions par la neige de NO, NO2 et HONO pendant l'hiver polaire, donc en l'absence totale de lumière. L'origine photochimique de ces émissions devant être exclue, l'équipe s'est tournée vers la piste biologique. Une analyse chimique de la neige a montré la présence d'ions nitrite (NO2-), à des concentrations micromolaires, alors que cet ion est rarement détecté dans la neige. Ceci étayait l'hypothèse biologique, car les réactions de nitrification et dénitrification des microorganismes transforment respectivement l'ammonium (NH4+) et le nitrate en nitrite.
La preuve incontestable d'un métabolisme impliquant l'azote dans la neige sèche a été apportée par l'analyse isotopique, effectuée au LGGE, du nitrate et du nitrite présents dans la neige. Alors qu'habituellement ces ions proviennent uniquement d'apports atmosphériques, ces analyses ont montré qu'une partie d'entre eux avaient été produits in situ dans le manteau neigeux. Comme aucune réaction abiotique(2) connue ne permet de les former dans la neige en l'absence de lumière, force était d'admettre qu'ils sont produits par des microorganismes actifs. L'analyse isotopique a alors permis de tracer leur origine : ils proviennent de la nitrification de l'ion ammonium issu des argiles contenues dans les moraines affleurant à proximité et apportées dans la neige par le vent.

Les émissions par la neige de NO, NO2 et HONO pendant l'hiver polaire s'expliquent alors très bien car les réactions métaboliques de dénitrification produisent du NO à partir du nitrite, dont une partie diffuse dans l'atmosphère où il a été détecté et une autre partie réagit avec l'ozone contenu dans l'air interstitiel du manteau neigeux, produisant du NO2 qui diffuse dans l'atmosphère où il a lui aussi été détecté. Quant au HONO, il est issu de la protonation du nitrite, une réaction qui se produit dans des microenvironnements légèrement acides, fréquents dans la neige.

Même en l'absence d'eau liquide, la neige se révèle donc être non seulement un réacteur photochimique, mais également un écosystème actif capable d'influencer toute l'année la chimie de la neige et de l'atmosphère ainsi que les cycles biogéochimiques. L'impact de cette l'activité biologique reste à quantifier, mais il est possible de spéculer qu'elle représente une nouvelle source d'oxydes d'azote dans des régions et à des périodes où il en existe très peu. Il est également probable que ce métabolisme microbien émette du N2O (étape suivante de la dénitrification). Or, le N2O est un puissant gaz à effet de serre à très longue durée de vie, dont le bilan planétaire des sources et puits connus ne permet pas d'expliquer précisément la concentration troposphérique. La découverte de nouvelles sources, comme peut-être celle dont il est question ici, ferait donc progresser les connaissances sur ce sujet.

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