Les Biosphères 1 et 2 – Université, Site Expérimental (Arizona)

Trente minutes à l’ extérieur de Tucson, Arizona se trouve Biosphère 2, le plus grand centre de recherche en sciences du système fermé de la Terre jamais créé.La Terre, bien sûr, est la biosphère 1.
Biosphère 2 est sur un terrain de 40 acres de terre entourée de montagnes et de désert Paysage – l’environnement survivalist ultime.
Dans les années 1980 un groupe de scientifiques et les investisseurs se sont réunis construit une structure de biomes remplis de serres, une mer vivante, le désert et la forêt tropicale, la savane et des logements pour les gens.
Deux missions controversées testées survivabilité en scellant les gens (connus sous le nom Biospherians), les oiseaux, les chèvres et les insectes dans cette structure de verre incroyable.
Ce projet avait des objectifs nobles de la recherche environnementale, mais le but était plus grande colonisation de l’espace. Ils espéraient breveter un système qui pourrait être mis en place sur d’ autres planètes. Sans doute, les Biospherians inspiré Mars One , la prochaine implantation humaine sur Mars.
A défaut de saisir les conditions d’émergence de la vie, les biochimistes et les écologistes ont cherché à comprendre quels étaient les mécanismes qui maintenaient la biosphère en état d’équilibre et s’il était possible de maintenir un « monde » vivant en circuit fermé.

Leur idée était de trouver une solution à l’augmentation exponentielle de la population terrestre, à la disparition progressive des ressources naturelles et des problèmes liés à la pollution.Aux Etats-Unis, dans le désert d’Arizona se trouve une immense pyramide de verre de 122000 m ³ c’est le projet Biosphère 2.
En entrant dans l’espace réservé à la forêt pluvieuse transplantée qui se développe de manière luxuriante à l’intérieur de l’immense serre de verre, Bernd Zabel, un « biosphérien » convaincu, déposa son ordinateur portable sur un rocher qui se couvrit rapidement de petits bestioles qui s’agitaient en tout sens.

Construit à la fin des années 1980, Biosphère 2 a été financé par le milliardaire Texan Edward P.Bass, un mécène visonnaire passionné d’écologie qui offrit au centre une donation de 200 millions de dollars qui se concrétisa par la construction de ce laboratoire aux allures futuristes.Le but de ce projet est de simuler la biosphère terrestre, les interactions entre tous ses composants, dans un monde artificiel, copie conforme de l’écosystème terrestre –

Initialement son promoteur voulait déterminer si des hommes pouvaient survivre dans un environnement clos riche en énergie.
Aujourd’hui Biosphère 2 abrite 3800 espèces animales et végétales – y compris quelques êtres humains – et reproduit les conditions de vie des principaux binômes terrestres; on y retrouve en miniature une forêt pluvieuse tropicale, un océan avec sa vie marine, un désert, une zone semi-désertique, des marais et une savane.
Il contient également à une échelle réduite des communautés synthétiques (mésocosmes) isolées de récifs coralliens,
de plantes et différents types de sols qui peuvent être étudiés en tant que véritables systèmes clos.

Jane Poynter nous dévoile les deux ans et 20 minutes qu’elle a vécus dans la biosphère 2 — une expérience qui l’a amenée à étudier comment maintenir la vie dans le plus dur des environnements. Tenue à l’Université de Californie du Sud (University of Southern California), c’est la première conférence tirée d’un événement TEDx organisé indépendamment.

« A chaque extrémité de la Biosphère 2 Laboratoire vous verrez de grandes structures géodésique dôme, connu comme les« poumons »Les poumons sont l’ une des nombreuses grandes réalisations techniques de la biosphère 2..

Tunnels d’air souterrains relient les poumons à la biosphère 2.
A l’ intérieur du poumons, une membrane de caoutchouc synthétique géant avec un disque métallique circulaire (le disque pèse 16 tonnes!)
flotte librement sur un coussin d’air et monte et descend comme l’air se dilate et se contracte.  »

Projet Biosphère 2 bâtiment de module de test vu à l’aube. La Biosphère a été une expérience privée financée, conçue pour étudier la façon dont les humains interagissent avec un petit environnement écologique auto-suffisante, et d’examiner les possibilités d’avenir de colonisation planétaire. 1989

Parce que Biosphère 2 a été initialement conçu pour être isolé de l’environnement extérieur, il n’y a pas de soupapes de pression pour réguler les variations de pression. il est possible, puisque biosphère 2 est si bien scellé, qu’il pourrait EXPLOSER que le soleil chauffe l’air à l’ intérieur (ce qui est le désert, après tout ), provoquant l’air de se développer. Il pourrait aussi implosent que l’air se refroidit et se contracte à l’ intérieur. les poumons agissent comme « variables chambres d’expansion » qui compensent les variations de pression à l’ intérieur de la biosphère 2.

Je suis fasciné … semblait – delà entre être en Là. A mi – chemin à travers la tournée, le tour guide ouvre la porte à l’extérieur et vous pouvez voir les jambes du disque commence à descendre, la régulation de la teneur en air dans la biosphère. Il se sentait comme regarder un navire étranger fonctionnent.

Biosphère 2 contient approximativement 170000 m ³ d’air, 1500 m ³ d’eau douce, 3800 m ³ d’eau de mer et 17000 m ³ de terre.Ce laboratoire représente encore aujourd’hui le plus vaste environnement de croissance contrôlé.
Ce système fermé contient un taux élevé de gaz, d’eau et de nutriments gérés depuis une salle de contrôle annexe. Biosphère 2 respire, excrète, se réchauffe et se refroidit à partir d’une centrale d’énergie externe à la structure.

Le laboratoire peut fonctionner dans différentes « configurations » comprenant le système clos mais également des modes plus ou moins perméables et ouverts sur l’extérieur afin de simuler in vitro la réaction du milieu face à différents agents et influences extérieures.

Alerte à l’oxygène !

En septembre 1991 peu après son inauguration, Biosphère 2 annonça à grand renfort de média qu’une équipe de 8 chercheurs s’étaient volontairement enfermés dans la serre pour une durée de 4 ans. Au bout de 2 ans, alors que Biosphère 2 « fonctionnait » et semblait bien à l’abri des vicissitudes du climat sous son toit de verre, les sondes ont enregistrées une chute régulière du taux d’oxygène jusqu’à atteindre un taux critique. Ceci était d’autant plus surprenant que les experts avaient plantés toutes une série de plantes grandes productrices d’oxygène.

Bernd Zabel qui passa 6.5 mois dans l’enceinte scellée avec la deuxième équipe en 1994 se rappelle que « physiquement nous étions en très bonne santé. Nous étions minces, sans graisse avec une faible pression sanguine. Le problème est que nous nous sentions léthargiques« .
La raison peut sembler contradictoire dans une enceinte contrôlée par ordinateur mais en réalité nos biosphériens vivaient à la limite de la suffocation !
Ainsi que chacun le sait, l’atmosphère terrestre contient 21% d’oxygène. En théorie, les plantes et les algues poussant à l’intérieur de Biosphère 2 ainsi que ses millions de litres d’océan devaient en produire une quantité comparable afin de maintenir le milieu en équilibre.
Après avoir longtemps hésité sur l’origine du phénomène, sa source fut identifiée : le sol absorbait l’oxygène. C’était le terreau, un milieu riche en éléments nutritifs et favorisant la croissance des plantes qui était également un environnement propice au développement des bactéries. Avides d’oxygène, elles s’étaient multipliées au détriment des autres espèces et avaient presque asphyxié toute la biosphère !
A l’époque de l’incident nous rappelle Zabel le niveau d’oxygène tomba à 14.5%.

« En-dessous de 14% ajouta-t-il, vous pouviez mourir« .

Dans le même temps la concentration de gaz carbonique s’éleva. Aujourd’hui (2002) Zabel relève sur son ordinateur une valeur de 571 ppm, à comparer aux 350 ppm qu’on peut mesurer à quelques kilomètres du centre dans les montagnes de Santa Catalina au nord de Tucson, AZ.
La pression partielle de gaz carbonique est forcée mais elle permet aux scientifiques d’étudier l’influence du gaz carbonique auquel bientôt la planète devra faire face.
Pour que l’incident de 1994 ne se reproduise plus et afin que toutes les dispositions soient prises pour que l’on puisse mener des expériences scientifiques sérieuses, les chercheurs de l’université de Columbia ont découvert qu’il fallait au moins 10 ans pour que le carbone contenu dans le sol soit absorbé par les micro-organismes, jusqu’à ce que s’établisse un état d’équilibre. Ce n’est qu’une fois arrivé à ce stade que la biosphère serait autonome.

Aujourd’hui les sols riches en matière organique de Biosphère 2 sont employés dans l’agro-sylviculture et la forêt pluvieuse de sorte que des concentrations plus importantes de gaz carbonique apparaissent encore durant la nuit. Mais ce phénomène peut être réduit en utilisant des ventilateurs d’échappement.

En l’espace d’une décennie les teneurs en carbone et en azote se sont équilibrées et sont aujourd’hui comparables à un sol riche comme on en trouve dans les prairies américaines ou dans un sol fortement organique similaire à celui du sud-est des Etats-Unis. Ouf, le projet est sauvé !

Il n’empêche que la leçon de cette expérience est importante. Elle a fait prendre conscience aux scientifiques de la complexité de la biocénose et du peu de connaissances que nous avions des interactions qui s’y développent.

Nous y reviendrons dans la conclusion.

Avec rêves d’un jour colonisant l’ espace, huit personnes se sont scellés à l’ intérieur de la biosphère de verre géant dans le désert de l’ Arizona en 1991. Au moment où ils ont émergé deux ans plus tard..

Visite et description des biômes (II)

« Welcome to Biosphère Two« , me dit Zabel en souriant ainsi qu’au public venu découvrir ce laboratoire unique en son genre. Tout en marchant sur les sentiers qui serpentent à travers la serre, Zabel nous rappelle que dans ses grandes lignes Biosphère 2 a tenté de reproduire in vitro les grands biômes ou régions écologiques terrestres, de la forêt pluvieuse au désert. Seules les régions polaires n’ont pas été simulées mais les eaux froides sont représentées tandis que les régions humides et semi-désertiques ne sont pas isolées des autres biômes.

Chaque biôme consiste en un immense espace dont l’atmosphère est contrôlée et dans lequel les quantités d’eau, de carbone et d’autres composés sont surveillés avec précision afin de mesurer le bilan énergétique du système et ses réponses face aux changements de concentration du gaz carbonique ou à d’autres facteurs climatiques (tels que l’échange net de carbone, la transpiration, la production de gaz à l’état de trace, la balance isotopique).

L’acquisition et la communication des données sont entièrement automatisées. L’échange des gaz entre les biômes peut être mesuré tandis que des ventilateurs ont été installés à l’intérieur de chaque mésocosme pour empêcher la stratification de la température.Enfin les systèmes d’irrigation ont été étudiés de manière à ce que l’eau s’écoule en sens unique à travers la forêt pluvieuse, le désert et le biôme d’agro-sylviculture intensive.

L’océan

Le mésocosme marin de Biosphère 2 est un biôme totalement fermé qui simule un récif corallien des Caraïbes (Atkinson et al., 1999). C’est un grand réservoir de la taille d’une piscine d’une superficie de 35 x 20 m, dont la profondeur oscille entre 7 m au milieu du bassin à moins de 1 m du côté de la lagune qui est partiellement séparée de l’océan par un récif émergeant.

Cet océan artificiel contient 2.5 millions de litres d’eau salée. Un bel aquarium qui contient quelques dizaines d’espèces d’animaux sans parler des invertébrés et de la microfaune !

Des systèmes mécaniques simulent ou remplacent les processus environnementaux naturels. Des paramètres physiques et chimiques tels que le mélange, l’échange des gaz, les concentrations nutritives et la pression partielle de gaz carbonique peuvent être contrôlés indépendamment. Il se différencie de tout autre système artificiel de récif par son échelle et sa complexité biologique.

Les animaux ne sont pas nourris et ce mésocosme est assez grand pour permettre aux populations de se développer à partir de la chaîne alimentaire interne soutenue par les algues et la photosynthèse du corail.

L’océan de Biosphère 2 est idéal pour simuler des changements chimiques ou biologiques sur les récifs de coraux. Ainsi Langdon et ses confrères ont démontré en l’an 2000 que les taux de calcification squelettique du corail diminueraient de 40 % au cours du 21 ^e siècle lorsque la concentration du carbonate présent dans l’eau de mer arriverait à équilibrer celle du gaz carbonique atmosphérique que nous continuons à y déverser (plus de 54% pour les seuls Etats-Unis contre 8% pour l’Allemagne en l’an 2000).

La reconstruction d’un «océan» dans le milieu du désert

676.000 gallons l’océan de Biosphère 2 a été conçu à l’ origine dans les années 1980 comme un récif de corail.
Mais il était coûteux à entretenir, et le corail est mort. L’océan était sous la menace d’élimination, mais les gardiens actuels de l’Université de l’ Arizona ont de grands projets.
Ils font leur océan dans une réplique du Golfe à proximité de la Californie, la masse d’eau qui influence les environs désertiques de la biosphère 2.

Buzz vous emmène plonger dans l’océan à la Biosphère 2 près de Tucson, Arizona. Merci à Andrew Brown pour le tournage de la vidéo « à sec », tandis que Buzz a tourné la vidéo «humide» pour l’Arizona Public Media.

La forêt pluvieuse

Le mésocosme de la forêt pluvieuse ou tropicale est situé à l’extrémité nord de Biosphère 2 et représente un habitat de 67000 m ³ constitué de toute une textures de sols allant de la terre sèche à la terre grasse argileuse (Leigh et al., 1999).
Cette forêt chaude et humide s’étend sur un espace de 50 m de côté et culmine à 27 m de hauteur.Les passionnés de faune et de flore tropicales seraient enchantés de vivre dans cette jungle !
Ce biôme planté entre 1989 et 1991 est aujourd’hui partiellement parvenu à maturité et présente un patchwork complexe de différentes espèces végétales tropicales présentant des canopies variées qui sont autant d’éléments idéaux pour mesurer les différentes composantes des activités photosynthétiques.

La forêt pluvieuse est divisée en deux secteurs : les terres basses et la forêt pluvieuse supérieure. C’est dans cette dernière zone qu’une petite montagne équipée d’un station panoramique a été érigée pour le public. Cette Vista a été baptisée « Tepui ».

Cette forêt pluvieuse à échelle réduite est comparable aux forêts d’Amazonie (Arain et al., 2000). Des expériences (Lin et al., 1998,1999) ont prouvé l’utilité de ce biôme et ont malheureusement démontré que la forêt pluvieuse, si elle permet de régénérer le gaz carbonique ambiant en limitant sa concentration, serait saturée en gaz carbonique au milieu du 21 ^e siècle.

L’agro-sylviculture

À l’origine le biôme d’agriculture intensive fonctionnait en système clos (Marino et al., 1999).
Aujourd’hui le biôme de sylviculture (IFB) couvre environ 2 km ², il dispose d’un volume d’air de 35000 m ³ et d’un volume de terre d’environ 2000 m ³.

Le sous-sol présente une épaisseur d’environ 1m et est maintenu à l’image d’une prairie fertile (Torbert et Johnson, 2001). Ce biôme est divisé en 3 chambres de 33 x 17 m disposant chacune de ses propres moyens de contrôles : des systèmes de contrôle du gaz carbonique, de contrôles environnementaux, de sondes (température, humidité relative, lumière et humidité du sol) et de système de surveillance continu des gaz à l’état de traces.

Une forêt de peupliers génétiquement identiques (Populus deltoides Barr.) a été plantée en mai 1998. Bien qu’ils soient taillés annuellement leur taux de croissance est dramatique, atteignant une moyenne d’un mètre par mois !

Ces arbres sont utilisés pour mesurer un certain nombre de réponses de l’écosystème à des concentrations élevées de gaz carbonique (Griffin et al, 2002) et permettent, entre les coupes, de relever différents paramètres relatifs à la respiration du sol (Murthy et al, 2002).

La savane

La savane a été conçue pour exécuter plusieurs fonctions dans Biosphère 2. Son premier objectif est de fournir une zone hydrologique de transition entre le désert et les mésocosmes de la forêt pluvieuse.
Le but est d’apprendre comment la chimie atmosphérique trouve son équilibre suite aux changements des régimes hydrologiques dans les mésocosmes tropicaux.
La savane est un modèle à petite échelle des savanes tropicales, reproduisant les processus qui se déroulent dans ces écosystèmes tout en retenant les détails essentiels de sa biodiversité et de son esthétique.

Les zones de végétation comprennent des espèces comestibles, comprenant des acacias pour les galagos, des plantes à grosses graines pour les pinsons et des arbres à fruits destinés à l’ensemble de la faune.

La savane est divisée en quatre régions principales : une pente de quartzite, la savane supérieure, une pente de granit et la savane inférieure. La section la plus au nord de la savane se compose d’une pente construite à partir de roches de quartzite. La chute d’eau est située dans ce secteur.

La savane supérieure est constituée de trois zones de végétation. La section située juste à côté de la chute d’eau se compose d’espèces d’eau douce des régions humides des Everglades de Floride comprenant les espèces suivantes : Cornus foemina, Typha domingensis, Salix caroliniana, Crinum americanum, Ludwigia octovalvis et Cladium jamaicense.

La zone constituant la forêt de galerie est dominée par des espèces d’Acacia avec des herbes plutôt clairsemées aux étages inférieurs choisies parmi les espèces suivantes : Andropogon gayanus, Panicum maximum, Paspalum guenoarum, Setaria poiretiana et l’envahissante Brachiaria mutica.

Les Billabongs sont des dépressions dans la savane supérieure. Elles ont été conçues pour être périodiquement inondées afin de produire un habitat hyper saisonnier. Cette zone alterne des saisons de vives eaux avec des périodes d’aridité, éliminant la plupart des arbres mais en permettant aux herbes de survivre.

Les Billabongs sont dominés par une canopy d’herbes constituées de Brachiaria mutica et de Chloris gayana, contenant localement des espèces tortillées de Vigna luteola et des vignes lathyroides de Macroptilium.

La savane inférieure est située le plus au sud, à côté de la zone semi-désertique supérieure. Elle est dominée par les Brachiaria mutica. D’autres plantes sont présentes dans ce secteur comme les Dichanthium annulatum, Cenchrus setigerus, Panicum maximum, Sorghum halepense et le Brachiaria decumbens.

Visite et description des biômes (III)

Les marais

Le mésocosme des marais est constitué de deux types de régions humides : un petit secteur des marais est dominé par différentes espèces d’herbes tandis que la région des mangroves est dominée par des palétuviers, couvrant 80% du mésocosme. 542 palétuviers et 15 arbres d’eau douce se partageaient à l’origine un secteur de 441 m².

Ce modèle d’estuaire se compose de six sections adjacentes. Les murs séparant chaque section sont couverts de barreaux en acier dans lesquels ont été aménagé des entailles larges de 60 cm afin de permettre aux animaux et à l’eau de se déplacer entre les sections.

Pour maximaliser la diversité des espèces, différents types de communautés ont été introduites dans chacune des six sections marécageuses. Dans ce milieu, les amateurs de vie microscopique, de vivarium ainsi que les aquariophiles passionnés par les cyclidés et autres poissons d’eau douces seraient dans leur univers !

L’extrémité montagneuse du modèle contient un étang d’eau douce circulaire (59 m²). Taxodium distichum, Annona glabra, Salix caroliniana et Myrica cerifera sont les arbres dominants. Le marais oligohalin (32 m²) constitue la zone de transition entre les zones d’eau douce et les palétuviers. Ici l’Acrostichum danaeifolium, les Spartina spartinae, les Myrica cerifera et les Laguncularia racemosa sont les plantes dominantes.

La zone des palétuviers (52 m²) est située dans un marais salé représentant le début du milieu véritablement marin. Cette section est dominée par le Rhizophora et le Laguncularia racemosa.

La section dite noire des palétuviers (72 m²) est dominée par des Avicennia germinans. Les deux sections nordiques, le compartiment des huître (91 m²) et la frange des palétuviers rouges (129 m²) sont dominés par des arbres de l’espèce Rhizophora.

Depuis qu’il est en équilibre, le système des marais a été colonisé par des écrevisses, des escargots, des poissons moustiques, des killies, des mollies, des crabes de boue et de palétuviers, des crevettes, des amphipodes, des éponges et des anémones.

La diversité de la faune subit un déclin il y a quelques années, phénomène peut-être provoqué en réaction à l’isolement du bassin et à l’absence de marées.

Le désert

Le désert représente le gradient des climats et de la végétation d’une région équatoriale humide à subtropicale aride dont le but est de maintenir une biodiversité aussi élevée que possible.

Ce biôme est utilisé pour étudier la fluctuation des activités biologiques en réponse aux précipitations, ainsi qu’aux projets de recherche des étudiants. Mais n’ayez crainte, scorpions, arraignées sauteuses et serpents vénimeux n’ont pas été introduits dans ce milieu !

A long terme il peut être transformé en prairie aride (compétition C3/C4) en collaboration avec le USDA.

Sa forme permet d’étudier un tapis onduleux relativement simple de végétation rassemblant un patchwork de différents types de sol et de régimes d’irrigation.

Le désert est divisé en deux zones : le désert inférieur ou zone semi-désertique (voir plus bas) et le désert supérieur.

Son fonctionnement en circuit fermé est idéal pour calibrer les taux d’échange gazeux. Il permet aussi d’évaluer les différentes concentrations des flux de gaz carbonés en fonction de l’efficacité et de la croissance photosynthétique (à partir d’isotope distribués dans l’atmosphère et les sols).

Lorsqu’il fonctionne en mode semi-perméable le secteur désertique reçoit directement de l’air frais tandis que l’air vicié s’échappe par la forêt pluvieuse grâce à un ventilateur capable de brasser jusqu’à 280 m³ par minute. L’air peut aussi être renouvelé dans le système mécanique de filtrage.

Le semi-désert

Le secteur semi-désertique situé en contre-bas du désert a été conçu par Tony L. Burgess pour simuler la limite aride du biôme de la savane caractérisé par des hivers secs aux pluies erratiques et des étés pluvieux. Pour le différencier du désert il supporte des précipitations fraîches durant l’hiver et des sécheresses intenses en été. Cela permet de préserver son caractère subtropical aride tout en maintenant la biodiversité dans ce secteur.

Cette zone a été prévue à l’origine pour faire partie du biôme de la savane, mais des raisons de conception et de changement d’objectif l’ont progressivement séparé du reste de la savane.

La position du semi-désert à côté du biôme du désert a exigé qu’il soit divisé en deux parties : le semi-désert supérieur situé au-dessus de la salle d’épuration et le semi-désert inférieur situé entre la salle d’épuration et le marais d’eau douce. Le semi-désert supérieur simule un dépôt relativement âgé constitué de matière volcanique similaire à celle que l’on retrouve à Sonora au Mexique.

La majeure partie du semi-désert inférieur simule un gisement côtier stabilisé de dunes typique de Sonora, de Baja Californie, du sud du Chili ou du sud-ouest de Madagascar. Des cônes volcaniques simulés par des talus ont été construits le long du côté occidental du semi-désert inférieur pour créer un habitat supplémentaire aux petits animaux et assurer une transition logique vers les falaises artificielles de rochers situés en-dessous du semi-désert supérieur.

Les plantes ont été collectées à proximité d’Alamos et de Sonora, deux villes localisées à la limite entre le semi-désert et la forêt tropicale à feuilles caduques de Sinaloan.

En raison de leur disponibilité,la plupart des plantes semi-désertiques sont des espèces de Sonoran : Bursera grandifolia (torote mulato), Jatropha cordata (torote de vaca), Fouquieria macdougalii (palo adan) et des arbres hauts de 6 m comme les Erythrina flabelliformis (haricot de corail) qui ont été transplantés racines nues dans la zone semi-désertique de Biosphère 2.

D’autres espèces ont été plantées encore juvéniles tandis que certaines plantes succulentes malgaches ont été achetées dans le commerce pour accroître la biodiversité
(Alluaudia ascendens, Uncarina sp., Xerisicyos anguyit, Aloe vaombe).

Actuellement la végétation s’est développée au point que sa canopy ressemble aux sites prototypes tandis que les espèces qui peuplent les bois semblent capables de résister à l’invasion potentielle des hautes herbes de la savane.

La biodiversité semble être élevée bien qu’il n’ y ait eu aucune comparaison formelle avec d’autres sites semi-désertiques.

Profils techniques

Systèmes de contrôle et de gestion.

Biosphère 2 est géré à partir d’une salle de contrôle high-tech au look futuriste.
Ce centre nerveux jouxte la serre de verre et fonctionne évidemment en permanence.

Rayonnement solaire.

Situé à une altitude de 1200 mètres au-dessus de niveau de la mer à la latitude de 32.5° N en Arizona méridional, Biosphère 2 subit les régimes d’une région tempérée désertique.
Le verre absorbe pratiquement tout le rayonnement UV et grâce aux composants structurels le rayonnement photosynthétique actif (RPA) est réduit d’environ 55%. Mais la latitude de ce système est telle que le RPA est d’environ 15 moles/m² par jour en hiver et de 25 moles/m² par jour en été, des valeurs supérieures aux flux qui s’établissent dans une serre chaude ordinaire rendant Biosphère 2 propice aux recherches.

Gaz atmosphériques.

Une série de sondes (analyseurs de gaz carbonique, température, humidité relative et luminosité) sont utilisées à l’intérieur de la serre pour surveiller la composition de l’atmosphérique et des conditions climatiques.

Chaque mésocosme terrestre isolé est équipé d’un injecteur de gaz carbonique et d’un système d’extraction d’air vicié dont la pression partielle de CO₂ peut varier entre 400 ppm (proche des conditions extérieures actuelles) à 1200 ppm. Actuellement la serre contient une concentration de quelque 571 ppm de gaz carbonique, similaire à ce que devrait contenir l’atmosphère terrestre d’ici 70 ans selon les prévisions, histoire d’évaluer les réactions de la biosphère dans de telles conditions.

Le chemin suivi par la circulation de l’air dans Biosphère 2 ne permet pas d’isoler les biômes de la savane, du semi-désert et des marais afin d’étudier les échanges gazeux. Ils sont uniquement maintenus pour d’autres projets de recherche, des démonstrations et à des fins didactiques.

Un système de surveillance continu des gaz extrait l’air vicié à raison de 5 litres/min de la forêt pluvieuse, de la savane, du désert ainsi que des zones agricoles et d’un laboratoire externe.

Des rideaux sombres permettent d’occulter à la demande la forêt pluvieuse tandis que trois sections de la zone de sylviculture intensive peuvent recevoir trois concentrations différentes de gaz carbonique. Quand la forêt pluvieuse est occultée, l’échange d’air se produit à un taux d’approximativement 1.4% par heure (nov.1997).

Pression.

Lorsque Biosphère 2 fonctionne en circuit fermé, la pression atmosphérique interne est maintenue aussi proche que possible de la pression extérieure grâce à l’utilisation de deux chambres à volume variable baptisées les poumons de Biosphère 2, situés sur les côtés est et ouest du bâtiment. Par sa géométrie variable, cette infrastructure permet d’éviter d’endommager la structure de verre lors de changements trop brutaux de pression ou de température.

Biosphère 2 est le système le plus hermétique jamais construit. Durant les deux premières années de fonctionnement le taux de fuite était de 7% par an.

Biosphère 2 contient également tous les modules qu’impose une vie estudiantine ou de recherche en communauté : il dispose d’une zone d’habitat, d’une salle de repos, d’une bibliothèque et bien sûr des services d’intendance.

Projets scientifiques et éducatifs (IV)

Le premier projet Biosphère en milieu isolé débuta en septembre 1991 et nous avons vu comment il se termina en catastrophe peu de temps après l’avoir pressurisé, faute d’oxygène.
Il fut suivi par un deuxième programme tout aussi funeste et encore plus court qui s’étendit de 1993 à 1994.

Devant ces expériences quelque peu malheureuses, les commanditaires de Biosphère 2 décidèrent de changer radicalement d’objectif et prirent contact avec les scientifiques locaux de l’université de Columbia.

Grâce à un partenariat avec le département de l’Energie américain, non sans avoir résolu définitivement la question de l’oxygène, l’Université de Columbia pris en charge la gestion du site à partir de 1996. Par son rôle consultatif, elle accepta la pleine responsabilité des programmes de recherche, de l’éducation et de la vulgarisation du grand public.

L’université est affiliée à Biosphère 2 à des fins non commerciales à travers l’Observatoire de la Terre de Lamont-Doherty (LDEO). L’accord de gestion actuel courant jusqu’en 2010 a été prolongé.

L’Université de Columbia s’est efforcée de rénover les installations afin d’optimiser l’utilisation de Biosphère 2, offrant en particulier aux chercheurs et aux étudiants un site idéal pour étudier expérimentalement les changements climatiques et globaux sur la biocénose.

C’est ainsi qu’au fil du temps Biophère 2 a été transformé en un vaste réseau de prototypes grâce auxquels les chercheurs peuvent évaluer les réactions des environnements océaniques, terrestres et atmosphériques ainsi que les rétroactions qui s’établissent entre ces systèmes et leurs interfaces (plage, cime des arbres, etc).

C’est le gaz carbonique qui fait l’objet des études les plus approfondies.
Les chercheurs de l’Université de Columbia nous rappellent que les glaces relevées aux pôles nous indiquent que l’air contenait 200 ppm de gaz carbonique il y a 14000 ans, à l’époque de la dernière glaciation.
En raison d’évènements naturels (feux de forêts, volcanisme) et des activités humaines ce niveau a légèrement augmenté, atteignant 280 ppm au seuil de l’ère industrielle pour atteindre son niveau actuel.

Aujourd’hui avec une concentration de gaz carbonique de 571 ppm, 71% supérieure à sa valeur réelle (408 ppm en 2016), Biosphère 2 travaille un peu comme une machine à remonter le temps, simulant la concentration de gaz carbonique que la Terre devrait présenter dans 70 ans si nous continuons à brûler nos énergies fossiles selon les prévisions.

Biosphère 2 permet d’étudier les climats du futur, comment la forêt pluvieuse répond à l’augmentation de gaz carbonique et de quelle manière elle peut nous aider. Les chercheurs ont ainsi déjà constasté que l’augmentation de gaz carbonique accélérait la croissance des plantes. A priori ca peut sembler être une bonne nouvelle mais il faut savoir que toutes les plantes ne réagissent pas de la même manière. Savoir quelles sont les plantes qui profiteront à l’avenir d’un environnement plus riche en CO₂ offre à Biosphère 2 l’opportunité d’être une ressource scientifique de première valeur.
Le public quant à lui est ravi de ce changement d’objectif. Grâce à la société McBride Corp. spécialisée dans la conception de centres récréatifs et de musées, chaque année Biosphère 2 reçoit quelque 180000 visiteurs passionnés d’écologie ou d’astronomie qui en profitent également pour visiter les observatoires du Kitt Peak et le Meteor Creater situés dans la région.
Les étudiants motivés peuvent également y suivre des programmes académiques dont l’essentiel du minerval, quelque 15000$/semestre, est payé par des bourses publiques. On y enseigne à des élèves de secondaire, gradués ou universitaires les sciences de la terre, de l’univers et il peuvent y effectuer des recherches appliquées en climatologie, écologie, écophysiologie, biologie marine, thermodynamique, etc..

L’avenir

L’explosion de la population de fourmis illustre de manière subtile comment les changements qui se manifestent dans une partie de l’environnement peuvent s’amplifier partout et de manière inattendue.

Lors de la première expérience Biosphère, il n’existait que trois espèces que l’on va dire endémique de fourmis.
La plupart de ces insectes, ainsi que 19 sur les 25 espèces de vertébrés se sont éteints.
Seuls quelques prédateurs comme les fourmis, les blattes ou les sauterelles vertes ont survécus et dominé les autres espèces.
Les fourmis sont aujourd’hui tellement discéminées à travers Biosphère 2 que les scientifiques ne veulent pas les éradiquer avant de comprendre leur rôle dans cet écosystème artificiel, qui semble être très important.

En introduisant les fourmis dans ce dossier, que bons nombres de visiteurs auraient balayées du revers de la main sans se poser de question, nous avons démontré combien Biosphère 2 est devenu un centre de recherche important pour toutes les disciplines qui se rapportent aux sciences de la Terre, en particulier à l’université de Columbia. Il facilite la recherche appliquée et l’étude des changements globaux, jetant un pont entre la recherche théorique et les études sur le terrain.

Biosphère 2 offre une occasion unique aux chercheurs d’étudier les réponses des différents niveaux de la biosphère, leur permettant d’évaluer leurs modèles depuis la feuille jusqu’au paysage pris dans sa globalité. Biosphère 2 étudie également les aspects biologiques globaux des sciences de la Terre beaucoup moins bien contrôlés tels que l’étude des réserves écologiques à long terme (LTER) et les sources d’enrichissement de l’atmosphère en gaz carbonique (FACE). Cela permet aux chercheurs de travailler sur une échelle du temps comprimée, leur enseignant comment utiliser et optimiser de tels systèmes.

Outre les nouvelles disciplines qui sont proposées à Biosphère 2 (cophysiologie des plantes terrestres, biologique océanographique, étude des isotopes stables, télédétection, etc) il est prévu que Biosphère 2 évolue vers un service multi-utilisateurs, engageant des équipes de recherche locales, nationales et internationales. Avis au lecteur !

Grâce à l’alerte à l’oxygène de 1994, les scientifiques ont dû avouer leur méconnaissance de la Terre; ils ignoraient – et ignorent encore –  les intéractions qui existent entre tous les êtres vivants et leur écosystème. Nous savons par exemple que les forêts tropicales sont très sensibles à l’évolution de la biosphère mais nous ignorons encore combien d’espèces elle abrite et toutes les interactions qui s’établissent entre ces communautés.

En sortant de Biosphère 2, Zabel comme la plupart des visiteurs éprouve un sentiment de colère devant le peu d’actes écologiques que nos politiques concrétisent au fil des législatures mais aussi envers nous-mêmes qui sommes souvent peu scrupuleux envers la préservation de la Nature.

Tous les chercheurs concernés par ce problème sont d’avis qu’il est grand temps d’apprendre à gérer notre biosphère si nous souhaitons la préserver. Notre impact sur le milieu est sans commune mesure. Aujourd’hui nous consommons 40 fois plus d’énergie qu’un animal ayant notre poids et nous occupons sur Terre 30 fois l’espace que nous devrions utiliser en vertu des lois de la sélection naturelle. Nous avons échappé à l’influence de dame Nature, mais n’oublions pas que loin des yeux, nous sommes aussi loin du coeur du problème. Aurait-on oublié notre devoir envers la Terre ? Si nous pouvons trouver refuge auprès de Gaïa, nous aurons sauvé la planète.

La plus importante leçon offerte par Biosphère 2 ne réside finalement pas à l’intérieur de cette structure unique, mais bien à l’extérieur. En quittant mon hôte et en traversant le sas hermétique, je ressents à nouveau le souffle intense de l’air chaud et sec de l’Arizona. Avant de refermer la porte du sas d’entrée derrière lui, Zabel prit une grande bouffée d’air à l’extérieur et me dit en souriant :  » Biosphere 1 est encore le meilleur. »

Image courtoisie de Salut-SEAS / Ross Lockwood

Biosphère 2 Projet de construction de modules d’essai vu à l’aube…
La Biosphère était une expérience financée par le secteur privé, conçue pour étudier la façon dont les humains interagissent avec un petit environnement écologique autonome et pour étudier les possibilités de colonisation planétaire future. La biosphère de 30 millions de dollars couvre 2,5 acres près de Tucson, en Arizona, et était entièrement autonome. Les 8 Biosphériens ont partagé leur monde étanche à l’air et à l’eau avec 3 800 espèces végétales et animales pendant leur séjour de deux ans dans le bâtiment, produisant toute leur nourriture et soutenant l’environnement dans cinq «biomes»; Agricole, forêt tropicale, savane, océan et marais (1989).

Reportage 6:37
Arconsanti Hommage à Paolo Solare.
par Jérôme Sadler