[Les pouvoirs méconnus du nucléaire] Des traceurs isotopiques pour étudier les courants marins

De la qualité de l’eau aux traces de pinceau cachées sous les chefs-d’œuvre, de la lutte contre les insectes à la protection des rhinocéros, le nucléaire déploie ses talents bien au-delà de la production d’électricité et de chaleur. Dans cette série estivale, la RGN vous invite à découvrir ces usages aussi méconnus que fascinants. Aujourd’hui, direction l’étude de la qualité des océans et de leurs courants marins.

Les techniques nucléaires et isotopiques sont aujourd’hui devenues des outils précieux de l’océanographie. Naturels ou artificiels, certains isotopes servent de véritables « colorants invisibles » : en suivant leur déplacement, les chercheurs peuvent retracer les mouvements de l’eau, du carbone, des sédiments ou encore des polluants. Les laboratoires de l’environnement de l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA), installés à Monaco, figurent parmi les principaux centres mondiaux spécialisés dans ces recherches.

Comprendre les courants pour mieux prévoir le climat

Les océans absorbent environ 90 % de l’excès de chaleur lié au réchauffement climatique et près d’un quart des émissions de CO₂ d’origine humaine. Les courants marins redistribuent cette chaleur et ce carbone à l’échelle de la planète, jouant un rôle déterminant dans la régulation du climat. Mieux connaître leur fonctionnement permet donc d’améliorer les modèles climatiques.

Or ces déplacements sont extrêmement difficiles à observer directement. C’est là qu’interviennent les isotopes. Naturels ou issus des activités humaines, ils accompagnent les masses d’eau au cours de leur voyage et permettent d’en suivre le trajet, le mélange et le temps de résidence dans l’océan.

Ils sont notamment utilisés pour étudier la circulation thermohaline, immense « tapis roulant » océanique contrôlé par la température et la salinité. Dans l’Atlantique, le Gulf Stream transporte ainsi des eaux chaudes vers le nord avant qu’elles ne plongent dans les profondeurs près du Groenland pour alimenter la circulation méridienne de retournement (AMOC).

Des laboratoires et des techniques spécialisés dans la radioactivité marine

Les laboratoires à Monaco ont été créés en 1961, sous le nom de Laboratoire international de radioactivité marine, par un accord tripartite historique entre l’AIEA, le Prince Rainier III pour Monaco, et le Commandant Cousteau en tant que directeur de l’Institut océanographique. Leur création répondait initialement aux inquiétudes liées aux retombées radioactives des essais nucléaires atmosphériques des années 1950-1960 et à la nécessité de comprendre le devenir des radionucléides dans les océans. Les missions du laboratoire se sont élargies d’abord à l’étude des pollutions chimiques, puis à celle du climat dans les années 2000-2010.

Plusieurs techniques spécifiques ont été développées. D’abord des méthodes de prélèvement en profondeur, comme des robots sous-marins permettant d’atteindre des zones spécifiques dans les abysses. Les laboratoires ont aussi mis au point des méthodes d’analyses très sensibles, permettant d’étudier des isotopes marins en concentration extrêmement faibles dans l’eau de mer, sur la base de spectrométries gamma et alpha. Ainsi la spectrométrie de masse à plasma induit (ICP-MS) transforme d’abord des éléments d’un échantillon en ions dans un plasma très chaud, puis les sépare selon leur masse pour identifier et mesurer les différents isotopes. Le compteur à scintillation liquide mesure des radionucléides en détectant la lumière produite par les interactions des particules émises avec un liquide scintillant. La séparation radiochimique est une étape préparatoire dans laquelle on isole un radionucléide spécifique à partir d’un échantillon complexe avant sa mesure.

Les laboratoires gèrent aujourd’hui MARIS (Marine Radioactivity Information System), une base de données internationale de référence sur la radioactivité marine. Les données proviennent notamment des réseaux de surveillance nationaux coordonnés par l’AIEA et sont mises à disposition de la communauté scientifique internationale, comme les océanographes et les modélisateurs du climat et de l’environnement. Elle rassemble des mesures réalisées dans l’eau de mer, les sédiments, les organismes marins et les matières en suspension, afin de suivre l’évolution de la radioactivité des océans et d’améliorer les modèles de dispersion. En juillet 2026, elle contenait plus de 400 000 échantillons et plus de un million de mesures portant sur l’eau de mer, les sédiments, les organismes marins et les matières en suspension.

Source : AIEA (https://maris.iaea.org/home)

Des isotopes naturels et des isotopes anthropiques

L’eau de mer contient naturellement des isotopes radioactifs, dont le potassium 40 représente plus de 90 % de la radioactivité naturelle, d’environ 13 000 Bq/m³. Les radionucléides artificiels présents à l’état de traces (mBq à Bq/m³) servent de marqueurs. Les retombées globales des essais d’armes nucléaires atmosphériques (menés principalement dans les années 1950 et 1960) restent la cause majeure de la radioactivité artificielle dans les océans mondiaux, devant, dans une moindre mesure les radionucléides issus des rejets contrôlés des installations nucléaires et d’accidents nucléaires comme Tchernobyl ou Fukushima.

Le carbone 14 est sans doute le plus précieux de ces traceurs. Il sert à dater l’eau et à quantifier la vitesse à laquelle l’océan absorbe le CO2. Le carbone 14 est produit de manière naturelle et continue dans la haute atmosphère par transmutation de l’azote sous l’effet des rayons cosmiques. A ce carbone 14 produit naturellement s’ajoute le « carbone bombe », qui provient lui des essais nucléaires atmosphériques des années 1950-1960. Il se lie à l’oxygène pour former du CO2 radioactif, qui se dissout ensuite dans les océans.

Le carbone 14 se désintègre lentement à un rythme régulier (sa demi-vie est d’environ 5 730 ans). Il est transporté vers les grands fonds par la circulation océanique, lorsque des eaux froides et denses plongent en profondeur, et par la pompe biologique, lorsque la matière organique produite par le phytoplancton coule vers les abysses. Une fois que l’eau de surface plonge en profondeur, elle ne reçoit plus de nouveau carbone 14. En mesurant la quantité de carbone 14 présente à différentes profondeurs, les scientifiques peuvent savoir combien de CO₂ l’océan absorbe, à quelle vitesse il est transporté vers les profondeurs et combien de temps il y reste stocké. Ces informations permettent de mieux comprendre le rôle des océans dans la régulation du climat, et aussi combien de siècles l’eau met pour parcourir la boucle mondiale des courants de la circulation thermohaline.

L’étude WOMARS (Worldwide Marine Radioactivity Studies), coordonnée par l’AIEA, a dressé en 2005 un inventaire complet et cartographié la distribution en haute mer du césium (Cs-137), du strontium (Sr-90) et du plutonium (Pu-239/240) pour la plupart des retombées des essais d’armes nucléaires atmosphériques. Le césium est très soluble dans l’eau et est particulièrement utilisé pour suivre la dispersion des masses d’eau et la dynamique des courants. Le plutonium, qui a tendance à se fixer sur les particules en suspension plutôt qu’à se dissoudre dans l’eau, est surtout utilisé pour étudier le transport des particules (argiles, matières organiques, oxydes de fer et de manganèse) et la vitesse de sédimentation. ■