# Dispersion des plastiques marins flottants à la surface des océans

Christophe Maes

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Christophe Maes. Dispersion des plastiques marins flottants à la surface des océans. La Météorologie, 2022, 119, pp.53-61. 10.37053/lameteorologie-2022-0084. hal-05151003

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# Dispersion des plastiques marins flottants à la surface des océans

## Christophe Maes

Laboratoire d'océanographie physique et spatiale (LOPS), Institut de recherche pour le développement durable (IRD), Plouzané

christophe.maes@ird.fr

(reçu le 13 juillet 2022 ; accepté le 9 septembre 2022)

## Résumé

Bien que la détection de la pollution plastique en mer ait commencé il y a plusieurs décennies dans des gyres océaniques subtropicaux, des régions éloignées des côtes, nous savons maintenant que les débris plastiques sont omniprésents dans tous les bassins océaniques, écosystèmes, habitats et réseaux trophiques, y compris dans nos aliments et le sel de mer. Outre les travaux visant à mieux comprendre la contamination, le champ d'investigation s'est élargi aux problèmes des sources, du devenir et des cheminements dans l'environnement physique et dynamique de l'océan, avec la volonté de vouloir répondre à une question fondamentale persistante : pourquoi le plastique s'accumule-t-il dans certaines régions des océans ?

L'utilisation du plastique, dans les sociétés modernes et notre vie courante, ne cesse de croître : la moitié du plastique jamais fabriqué l'a été au cours des vingt dernières années. En raison de son omniprésence, nous mangeons et buvons tous du plastique, sa présence dans le sang et dans les poumons venant d'être attestée tout récemment. Il est omniprésent dans nos rivières et nos océans, et de nombreuses études ont montré au final, que c'est l'ensemble des différents compariments environnementaux de notre planète qui sont pollués. L'exposition aux plastiques peut nuire à la santé humaine. Elle peut affecter la fertilité, l'activité hormonale, métabolique et neurologique. De plus, la combus- tion à l'air libre des plastiques, dans les décharges contrôlées ou sauvages, contribue à la pollution atmosphérique globale. Pourtant, les législateurs et les instances internationales ne prennent que des mesures timides pour s'attaquer au problème des déchets issus du plastique, né à l'ère de la consommation après la Seconde Guerre mondiale. Un contrôle législatif et réglementaire est clairement nécessaire pour endiguer le flux de ces déchets. Dans cette lutte contre la pollution plastique, un premier engagement des chefs d'État, des ministres de l'environnement et d'autres représentants de 175 nations a été pris lors de l'Assemblée des Nations Unies pour l'environnement

qui s'est tenue du 28 février au 2 mars 2022 à Nairobi : une résolution historique visant à mettre fin à la pollution plastique et à élaborer un accord international juridiquement contraignant d'ici 2024 a été approuvée. Tout en se faisant l'écho de la recommandation portée par la communauté scientifique internationale sur le besoin urgent de réduire la pollution plastique des océans (Borelle et al., 2017), la résolution porte sur l'ensemble du cycle de vie du plastique, c'est-à-dire sa production, son utilisation et son élimination.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Bouteille plastique échouée sur l'île de Lembongan, Bali, Indonésie.</figcaption></figure>
# Abstract

## Ocean dispersion of floating plastic debris

Although the detection of plastic pollution at sea began a few decades ago in the subtropical ocean gyres, regions far from any land, we now know that floating plastic debris is ubiquitous in all ocean basins, ecosystems, habitats, and food webs, including in our food and sea salt. In addition to work to better understand contamination, the scope of investigation has broadened to include issues of sources, fate, and pathways in the physical and dynamic environment of the ocean, with a focus on answering a fundamental and persistent question: why does plastic accumulate in certain regions of the oceans?

Selon le récent rapport *Global Plastics Outlook*<fnref n="1" /> de l'OCDE, le cycle de vie actuel des plastiques est loin d'être circulaire. À l'échelle mondiale, la production annuelle de plastique a doublé, passant de 234 millions de tonnes (Mt) en 2000 à 460 Mt en 2019. Les déchets plastiques ont, quant à eux, plus que doublé en passant de 156 Mt en 2000 à 353 Mt en 2019. Après la prise en compte des pertes lors du recyclage, seuls 9 % des déchets plastiques ont été finalement recyclés, tandis que 19 % ont été incinérés et près de 50 % ont été mis en décharge sanitaire. Les 22 % restants sont dispersés dans des décharges non contrôlées, brûlés à ciel ouvert ou bien encore simplement rejetés et abandonnés dans l'environnement. Ces chiffres alarmants ont aussi servi de référence pour les deux rapports émanant, pour le premier, de l'Académie des sciences et intitulé « Les plastiques dans l'Environnement » (16 mars 2021), et pour le second, de l'effort de deux parlementaires français, le député Philippe Bolo et la sénatrice Angèle Préville, enregistré en décembre 2020 et intitulé « Pollution plastique : une bombe à retardement ? ». Parmi les différentes recommandations mises en avant par ces rapports, on mentionnera celles sur le besoin de poursuivre les recherches portant sur le devenir de la pollution plastique, encore trop parcellaires, et ceci afin de « comprendre le cycle biogéochimique des déchets plastiques rejetés dans l'environnement, déterminer les flux et les tailles des particules transportées dans l'air, les eaux douces et les eaux marines, et ainsi prévoir leur devenir » (voir encadré 1). Malgré les incertitudes sur leur origine, leur composition et les voies de leur arrivée dans les océans, le constat global tourne autour de cette estimation : « Au total, entre 10 et près de 20 millions de tonnes de plastiques seraient rejetés dans les océans chaque année. »<fnref n="2" />

L'histoire de la recherche sur la pollution plastique en mer de ces 50 dernières années commence au milieu des bassins océaniques, à des milliers de kilomètres des côtes, dans les gyres subtropicaux (vers 30° de latitude). Les premières observations de débris plastiques marins ont été publiées dans la revue *Science* dès le début des années 1970, d'un simple constat à propos de petites particules de plastique trouvées dans la mer des Sargasses (Carpenter et Smith, 1972). Plus de dix ans plus tard, à partir de 1986, des études répétées ont commencé à compter et répertorier les débris de plastique dans les chaluts de surface utilisés dans l'océan Atlantique Nord,

ce qui a permis de constituer la première base de données à long terme sur les débris de plastique dans les océans (Law et al., 2010). Par la suite, le capitaine Charles Moore va découvrir et révéler l'existence du « Great Pacific Garbage Patch » (GPGP) et publiera le premier compte rendu des grandes accumulations de débris plastiques au milieu du gyre subtropical de l'océan Pacifique Nord (Moore et al., 2001). Au début des années 2000, le terme « microplastiques » est alors proposé pour désigner les petites particules de plastique (inférieures à 5 mm) que l'on trouve dans les sédiments et les eaux de surface (Thompson et al., 2004). Ce terme est rapidement adopté par la communauté scientifique. À partir de cette période, les appels lancés pour mener des recherches sur ce nouveau contaminant se multiplient, ce qui conduit à une augmentation exponentielle des preuves scientifiques concernant la contamination effective des océans et les impacts des débris plastiques sur la faune, et donc potentiellement sur l'Homme. La compréhension de cette pollution marine et de ses implications nécessite de pouvoir appréhender sa dispersion dynamique dans l'environnement marin.

# Le cheminement océanique des particules flottantes

Aujourd'hui, il ne fait aucun doute que la pollution plastique contamine la surface de tous les océans, les grands fonds, la glace de mer et tous les niveaux de la chaîne trophique. Les recherches s'efforcent ainsi de mieux comprendre les sources de contamination, le devenir des plastiques une fois qu'ils se retrouvent dans l'océan, la façon dont ils se transforment par des processus physiques et biologiques, et comment ils interagissent avec les écosystèmes marins. Pour la décennie à venir, Maximenko et al. (2019) ont présenté lors de la conférence OceanObs19³ la structure du futur système intégré d'observation des débris marins (Imdos, pour Integrated Marine Debris Observing System), qui apparaît nécessaire pour assurer un suivi à long terme de l'état de cette pollution anthropique et soutenir les activités opérationnelles visant à atténuer

<footnote n="1">1. https://doi.org/10.1787/de747aef-en</footnote>

<footnote n="2">2. https://www.academie-sciences.fr/fr/Rapports-ouvrages-avis-et-recommandations-de-l-Academie/plastiques-environnement.html</footnote>

<footnote n="3">3. http://www.oceanobs19.net</footnote>
# 1. Le devenir des microplastiques dans l'océan : que se passe-t-il sous la surface ?

Camille Richon (LOPS, ISblue : École universitaire de recherche interdisciplinaire spécialisée en sciences et technologies marines)

Au cours de la dernière décennie, la majorité des mesures in situ ainsi que des simulations numériques concernant la répartition des déchets plastiques dans l'océan se sont concentrées sur leur présence à la surface des océans. Pourtant, les estimations du bilan global des débris plastiques flottants sur l'océan suggèrent que seul 1 % de la masse totale de plastique issue des déchets plastiques non gérés (mismanaged plastic waste) déversée dans l'océan chaque année est retrouvée à la surface. Malgré les quantités impressionnantes de plastique et de microplastique retrouvées dans les zones d'accumulation en surface, plus de 99 % de la masse attendue manque ainsi à l'appel. Une partie de ce plastique pourrait se trouver sous la surface...

Estimer la concentration de microplastiques dans la colonne d'eau est une tâche complexe car le devenir des microplastiques sous

la surface dépend des courants horizontaux et verticaux, mais aussi de nombreux facteurs physiques comme la taille, la forme (fibres, films ou granulés) ou la densité de chaque polymère.

Aux caractéristiques propres à chaque matériau s'ajoutent des facteurs biogéochimiques. Par exemple, Courtene-Jones et al. (2017) ont retrouvé des microfibres plastiques de différents polymères (dont certains moins denses que l'eau de mer) en deçà de 2 000 mètres de profondeur dans l'océan Atlantique. La présence de tels polymères en profondeur est expliquée en partie par la colonisation rapide des plastiques par des algues et des micro-organismes. Ce phénomène (appelé *biofouling*) débute rapidement lors de l'exposition des microplastiques aux conditions du milieu océanique (de quelques heures à quelques jours, Paul-Pont et al., 2018) et peut entraîner une augmentation de la densité des microplastiques suffisante pour les faire couler. La croissance du biofilm

sur les particules de plastique dépend de plusieurs facteurs comme la forme et la taille des microplastiques (qui déterminent la surface disponible), l'état de dégradation ainsi que la productivité primaire des eaux dans lesquelles se trouvent les microplastiques. En effet, une forte productivité favorise la croissance de micro-organismes et augmente la probabilité de formation du biofilm. La dernière étape du développement d'un biofilm est la dispersion de cellules dans l'environnement après leur détachement des particules plastiques (cette étape est la mort du biofilm, voir la figure). De plus, la présence de biofilm autour des particules de microplastique les rend collantes et favorise l'agrégation entre microplastiques et matière organique particulière en suspension. Ce phénomène d'hétéro-agrégation (figure) peut modifier la dynamique de la matière organique océanique pourtant indispensable dans les processus d'export de carbone et de nutriments (Long et al., 2015).

Enfin, la présence de microplastiques dans l'environnement marin représente une menace pour les écosystèmes. En effet, une multitude d'animaux ingèrent des microplastiques de manière accidentelle ou volontaire car le biofilm entraîne une confusion avec les proies naturelles (Procter et al., 2019). Des études en laboratoire ont démontré que les plus petits animaux marins, le zooplancton, qui constituent la base de la chaîne trophique océanique, peuvent eux-mêmes ingérer des microplastiques (Botterell et al., 2022). Si le passage des microplastiques dans les voies digestives du zooplancton semble rapide (quelques minutes à quelques heures), l'incorporation de plastique dans les pelotes fécales pourrait ralentir leur export et diminuer l'efficacité de la pompe biologique du carbone (Cole et al., 2013).

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Schéma général des processus physiques et biogéochimiques qui régissent la dispersion 3D des microplastiques dans l'océan (© C. Richon).

les impacts sur les écosystèmes et sur la sécurité de l'activité maritime. Parmi l'arsenal des moyens et des outils disponibles ou bien à développer pour répondre aux objectifs ambitieux du réseau Imdos, les modèles dynamiques peuvent être utilisés pour mieux comprendre les processus qui affectent le transport, le devenir et la répartition des débris marins. Au cours des dix dernières années environ, un certain nombre de modèles océaniques différents ont été ainsi développés : modèles statistiques de type Markov basés sur l'observation (Maximenko et al., 2012), modèles mathématiques idéalisés (Koelmans et al., 2017) et modèles numériques de suivi lagrangien des particules, en deux ou trois dimensions suivant que l'on considère la surface ou l'ensemble du volume des masses océaniques (van Sebille et al., 2015). Tout en cherchant à comprendre la façon dont les débris plastiques

sont transportés à partir des sources côtières et marines, afin de qualifier et quantifier le bilan de l'inventaire mondial des plastiques marins, ce qui représente en soi une information critique pour les stratégies d'atténuation ou de gestion, le plastique est apparu comme un traceur singulier. En effet, ce dernier nous permet d'en apprendre davantage sur la physique et la dynamique de la dispersion océanique à plusieurs échelles, de la convergence d'Ekman dans les gyres à l'échelle du bassin aux vagues individuelles, du plein océan jusqu'au littoral.

En compilant toutes les observations de surface de 27 projets différents, répertoriant plus de 8 200 échantillons récoltés entre 2000 et 2019, avec des protocoles différents mais comparables et ajustables, une carte globale de l'abondance ou de la concentration en surface des microplastiques en haute

mer a été réévaluée récemment par Isobe et al. (2021). Cette analyse révèle que seulement quelques zones des océans ont été bien échantillonnées et que des régions entières à l'image de l'océan Indien Nord ou bien encore de l'ensemble de l'hémisphère Sud, typiquement au sud du tropique du Capricorne, restent quasi vierges de mesures in situ. Dans le nord de l'océan Pacifique et de l'océan Atlantique, les concentrations de plastique indiquent des valeurs très élevées traduisant la présence de la zone du « Pacific Garbage » ou bien encore les accumulations dans la mer des Sargasses, des régions qui sont éloignées des côtes et des apports fluviaux potentiels. Ces observations posent ainsi les bases de deux questions fondamentales : quel a été le cheminement de ces plastiques en haute mer ? Pourquoi observe-t-on des zones d'accumulation dans certaines régions des océans ?
Le transport des plastiques flottants en mer est contrôlé par l'advection et la dispersion sous l'effet des courants ambiants, la dérive de Stokes (voir plus bas), la remise en suspension, l'échouage et le lessivage, le dépôt, l'agrégation, la dégradation et l'encrassement suite à l'interaction avec les organismes vivants, etc. Dans la suite de cet article, nous nous attacherons principalement aux processus physiques impliqués dans le transport dans l'océan global. Pour une présentation plus exhaustive de ce que l'on sait des différents processus qui régissent le transport des débris plastiques marins flottants en haute mer et dans les zones côtières, voir la revue proposée récemment par van Sebille et al. (2020).

Il existe essentiellement deux approches complémentaires pour simuler le transport des objets en mer. La première est attachée au cadre eulérien (étude de l'écoulement depuis un point fixe), qui est couramment utilisé dans les simulations des différents paramètres ou traceurs caractérisant les masses océaniques, en commençant

par les traceurs physiques tels que la température et la salinité, ou bien en-
core les traceurs plus passifs comme le gaz carbonique ou d'autres substances chimiques. Les modèles numériques de la circulation générale océanique se basent sur la résolution des équations primitives de la dynamique des fluides à partir d'une grille prédéterminée. La seconde approche se base sur un cadre lagrangien (étude de l'écoulement en suivant le déplacement du fluide), qui est couramment utilisé pour analyser le transport tridimensionnel de l'eau de mer ainsi que pour calculer les trajectoires et la répartition des particules de plastique dans l'océan. Ces simulations lagrangiennes utilisent des données prédéterminées de vitesse eu-lérienne, dérivées d'observations ou de modèles pour calculer les trajectoires des particules virtuelles et neutres, en intégrant le champ de vitesse variant dans l'espace et dans le temps. Si l'on considère uniquement l'advection (le transport) par les courants de sur-face, cela revient à recourir à l'envoi de messages avec des bouteilles à la mer...

Pour mettre en évidence le chemine-
ment des débris et plastiques marins
flottants à l'échelle des bassins océaniques dans un cadre lagrangien, une
expérience de suivi de particules « fictives ou numériques » évoluant dans
les variations spatio-temporelles du
champ de courant de surface est réalisée en considérant une position initiale
de ces particules sur tous les points de
la grille océanique. Un calcul de la trajectoire de chaque particule est alors
effectué à tous les pas de temps et pendant une période donnée. Les concentrations de particules par élément de grille du modèle, estimées après 24 ans de simulation lagrangienne, sont représentées sur la figure 1, en considérant des estimations de courant de surface se basant sur des mesures satellitaires (haut) ou des réanalyses de modèle numérique (bas). Initialement homogène sur la grille, les concentrations montrent une répartition très inégale dans chaque bassin océanique avec la présence de cinq grandes zones d'accumulation vers 30° de latitude, dans les zones subtropicales par conséquent. Le processus clé dans cette convergence

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

Figure 1. Répartition de la concentration en surface de particules « fictives » (par élément de maille au quart de degré, grille ORCA025) dispersées dans les courants (a) observés considérant des mesures satellites - produit Gekco (Sudre et al., 2013) et (b) issus d'une réanalyse du produit C-GlorSv5. Les vents moyens observés par satellite sont représentés par des flèches blanches. La source des particules est uniforme sur l'ensemble du domaine à l'instant initial de la simulation effectuée sur une période de 10 ans. Les trajectoires lagrangiennes sont déterminées par le logiciel Ariane (Lops).
est la réponse de l'océan de surface à la friction du vent que l'on appelle le transport d'Ekman. À l'échelle d'un gyre subtropical océanique de l'hémisphère Nord par exemple, localisé entre 20° et 40° de latitude, les vents d'ouest (c'est-à-dire soufflant d'ouest en est sur le côté polaire du gyre) entraînent l'eau vers l'équateur. D'autre part, les vents d'est du côté de l'équateur font s'écouler l'eau vers le pôle. Par conséquent, l'eau converge aux latitudes moyennes du bassin subtropical et s'écoule en spirale vers le centre du gyre. Si la convergence d'Ekman permet d'expliquer l'existence et la présence des grandes zones d'accumulation situées à peu près au milieu des gyres subtropicaux, d'autres processus entrent aussi en jeu à l'échelle de chaque bassin océanique. Indéniablement, certaines caractéristiques de ces zones d'accumulation dépendent de la dynamique intrinsèque des courants qui ont été considérés.

En cherchant à comprendre la structure fine et l'intensité du cheminement de surface impliqué dans le cœur des régions de convergence de l'océan Pacifique oriental, Maes et al. (2016) ont pu montrer que la dynamique d'Ekman convergente à grande échelle était fortement modulée par la variabilité des tourbillons océaniques de méso-échelle et par les flux de masse sortants (agissant un peu comme des « portes de sortie » au cœur de cette accumulation au centre des gyres) introduites par les striations à des fines échelles spatiales des courants moyens. Ces striations sont composées d'une alternance de courants quasi zonaux en forme de bande, et liées au cheminement des tourbillons de méso-échelle. Maes et al. (2016) ont montré qu'elles étaient reproduites par un modèle au 32e de degré de résolution et quasiment absentes à une résolution du quart de degré. Dans les gyres subtropicaux de l'océan Pacifique, les déchets de surface ne seraient donc pas nécessairement « piégés » au centre du gyre océanique et pourraient être transportés en direction des côtes américaines (voir la figure 2 pour identifier les structures de fine échelle de la zone de convergence de l'océan Pacifique Nord). L'importance des tourbillons à méso-échelle a aussi été révélée dans la mise en evidence d'un cheminement interbassin, supérieur à 8 000 km, entre l'océan Indien Sud et le cœur de la zone de convergence de l'océan Pacifique Sud (Maes et al., 2018). En utilisant le calcul des trajectoires à rebours dans le temps, il est ainsi possible de montrer que certaines particules du cœur de la zone de convergence de l'océan Pacifique

Sud ont d'abord convergé dans l'océan Indien Sud (vers 100° E) puis transité à travers la grande baie australienne, la mer de Tasmanie et le sud-ouest de l'océan Pacifique. La connexion avec l'océan Indien Sud demeure aussi sensible à la région initiale des particules, qui lorsqu'elle est déplacée vers l'ouest de l'océan Indien ne permet plus de connecter le cœur des gyres des océans Indien et Pacifique (figure 1). Une différence importante de positionnement du cœur de la zone de convergence peut aussi s'expliquer par la prise en compte d'un processus dynamique de plus pétite échelle, la dérive de Stokes, définie comme le mouvement de transport de matière associé à la propagation d'une onde dans un milieu donné. En effet, aux courants de surface s'ajoutent des processus physiques tels que les effets directs du vent et des vagues, non pris en compte dans les modèles de circulation océanique générale, qui peuvent également modifier la trajectoire, le cheminement géographique et le temps de transit des particules et débris. En ajoutant une composante de courant due à la dérive de Stokes par les vagues et la houle, et après itération du calcul en repartant de conditions initiales similaires, la formation de ces zones de convergence subtropicale de l'océan Indien Sud montre des différences dans le positionnement du cœur de l'accumulation de plus de 30° en longitude, avec un déplacement net de plusieurs milliers de kilomètres vers l'ouest (Dobler et al., 2019). On note aussi que l'accumulation atteinte à la fin des 29 années de simulation est bien moindre sous l'action conjointe de la dérive de Stokes et des courants, indiquant que le devenir à long terme des particules au sein de l'océan Indien Sud est soumis à un phénomène de « fuite » vers l'océan Atlantique Sud. Cette dernière étude réconcilie les analyses, dans le secteur de l'océan Indien Sud, qui utilisent directement les données de bouées dérivantes de surface conçues pour la mesure des courants à 15 mètres de profondeur, mais qui subissent les effets du vent et de la dérive de Stokes en surface lorsqu'elles ont perdu, en particulier, leur ancre flottante. Cette étude de sensibilité à une composante de la dynamique océanique montre aussi tout le chemin qu'il reste à parcourir pour prendre en compte l'ensemble des processus physiques qui s'appliquent à la dérive et la dispersion des objets flottants à la surface des océans, révélant les lances profondes de notre connaissance dans ce domaine à l'échelle d'un basin océanique, et plus généralement, à l'échelle de l'océan global.

## Mise en évidence de « l'échouage » le long des côtes

Des analyses fines du devenir des particules « fictives » dans les champs de courant estimés par les modèles océaniques de circulation générale ont aussi révélé un comportement singulier lorsque les calculs de leurs trajectoires étaient faits dans un champ de vitesse horizontal divergent. En effet, l'addition d'une composante liée à la dérive de Stokes ou bien encore le fait de forcer les particules à rester à la surface de l'océan (au premier niveau vertical du modèle) introduit une rupture de la non-divergence tridimensionnelle des champs de courant et la possibilité pour les particules de se retrouver « confinées » dans une maille particulière du modèle. Le taux d'échouage, défini comme le nombre de particules qui finissent dans une maille le long de la côte, s'est avéré être très sensible à la fonction source caractérisant l'injection des particules, dans l'espace et dans le temps, pour le cas d'un scénario d'émission proche des côtes. Au niveau global, Chenillat et al. (2021) ont ainsi analysé le comportement de deux sources le long des côtes, l'une basée sur les rejets fluviaux (voir l'encadré 2) et l'autre sur les déchets mal gérés des populations côtières, en utilisant une analyse numérique lagrangienne dans un modèle global de circulation océanique au 12e de degré. Environ un tiers des particules se retrouvent dans l'océan ouvert et deux tiers sur les mailles contiguës aux côtes que l'on peut assimiler, après une période de temps suffisamment longue, à des particules « échouées » sur le littoral. L'échouage se produit principalement localement, bien qu'un nombre significatif de particules voyagent sur de longues distances, permettant une connectivité globale : des régions entières qui « ne rejettent » pas de déchets sur leurs côtes sont ainsi contaminées par la dispersion à grande échelle, notamment le long des côtes du continent africain. La source d'entrée influence aussi l'accumulation de particules vers les principales zones de convergence subtropicales, le Pacifique Sud et l'Atlantique Nord étant principalement alimentés par les apports des populations côtières.

À un niveau régional, l'information sur les concentrations des particules « échouées » est primordiale pour les autorités locales et les associations non gouvernementales qui mettent en place des stratégies de collecte et
<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 2. Répartition de la concentration en surface (par élément de maille de la grille ORCA au 12ᵉ de degré) de particules « fictives » dispersées dans les courants pour la période 1993-2015 (produit GloryS12V1). La source d'origine des particules est issue d'un scénario d'émission continue le long des côtes qui dépend de la densité de population.</figcaption></figure>

de recyclage. Sous l'égide de l'Agence française de développement (AFD), un projet dédié à la modélisation des déchets plastiques marins a permis de dresser l'état des lieux pour les apports des principales rivières de l'Indonésie (Dobler et al., 2022).

Ce pays est particulièrement touché en raison de sa forte densité de population,

de son taux de précipitations élevé et de ses nombreuses côtes. Une analyse lagrangienne a été effectuée pour simuler le sort de débris marins issus des rivières dérivant dans les courants de surface, y compris les composantes liées à la marée et à la dérive de Stokes. Les particules « fictives » sont libérées dans un modèle numérique suivant le taux de décharge de 21 rivières indonésiennes

et advectées pendant quatre années. La concentration à un instant donné permet de rendre compte de la grande complexité de la dynamique régionale (l'Indonésie est composée de plus de 13 000 îles pour une longueur totale de côte supérieure à 80 000 km), incluse entre les dynamiques de bord ouest et est des océans Pacifique et Indien (figure 3). La plupart des particules

## 2. Incertitude des apports par les rivières

Lisa Weiss (Lops/IRD)

Afin de mieux comprendre le cycle du plastique dans les océans et déterminer des bilans massiques globaux (voir encadré 1), il est nécessaire de mieux contraindre les sources possibles de ce plastique. Les fleuves sont considérés comme l'une des principales sources de pollution plastique des continents vers les océans. Ces apports fluviaux sont estimés de l'ordre de 1 à 2 millions de tonnes par an (Meijer et al., 2021), des flux 5 à 10 fois supérieurs aux quantités mesurées à la surface des océans (Isobe et al., 2021 ; van Sebille et al., 2015). Alors que les campagnes en mer successives ne témoignent pas d'augmentation significative des concentrations de plastiques en mer (Galgani et al., 2021), la question de la destination de tout ce plastique expor-té chaque année par les fleuves est donc primordiale.

Plusieurs hypothèses sont proposées aujourd'hui allant de l'accumulation dans la biomasse océanique à leur dégradation rapi-de par fragmentation physique, dissolution chimique, altération microbienne en passant par l'échouage massif sur les côtes ou leur dispersion dans la colonne d'eau jusqu'à la sédimentation sur les fonds. Une autre hy-pothese est envisagée, selon laquelle les estimations actuelles des apports fluviaux pourraient être surestimées, suite à des erreurs méthodologiques dans l'analyse statistique des échantillonnages fluviaux en-core trop peu nombreux et mal répartis sur

les différents continents (Weiss et al., 2021). Cette hypothèse est cohérente avec les dernières études sur le rôle joué par les bassins-versants dans le transfert des plastiques vers l'océan. Une rétention importante des débris se produit sur toute la surface du bassin-versant puis le long des berges fluviales jusqu'aux embouchures et estuaires dont l'hydrodynamique est complexe. Le transfert des sources urbaines d'amont en aval n'est donc pas linéaire avec des temps de transit des plastiques pouvant atteindre plusieurs décennies avant de rejoindre le milieu marin (Tramoy et al., 2020a, b). En plus des caractéristiques naturelles des systèmes fluviaux, leur modification par la construction de barrages, de réservoirs ou encore de digues accentue les phénomènes de stockage et seuls des épisodes de lâchers de barrages ou de crues sont propices à un déversement massif des débris plastiques dans l'océan (Liro et al., 2020). La crue exceptionnelle de la Têt lors de la tempête Gloria en janvier 2020 aurait par exemple remobilisé près de 30 % du stock de plastiques piégés sur les berges en aval de la ville de Perpignan, soit près de 11 tonnes déversées subitement en Méditerranée (Kerhervé et al., 2021).

Ainsi, les modèles statistiques ont montré qu'en fonction des observations utilisées (protocoles, hémisphères Nord/Sud, étiages/crues) et des paramètres de contrôle choisi-s (débits hydriques, barrages, densités de population, gestion des déchets), les flux

modélisés peuvent varier sur plus de trois ordres de grandeurs allant de quelques milliers de tonnes à plusieurs millions exportées chaque année vers l'océan (Weiss et al., 2021). L'extrapolation de ces différentes valeurs à l'échelle globale entraîne également une répartition spatiale très variable avec des rejets de plastiques vers l'océan toujours prédominants sur les côtes allant de l'Inde à l'Indonésie mais avec des écarts relatifs aux pays du Nord resserrés et donc des contributions vers l'Atlantique Nord accrues.

Notons d'autre part que les cycles continus de transport, de dépôt et de remobilisation des plastiques dans les fleuves favorisent leur dégradation et leur fragmentation et tendent à changer la nature des débris qui arriveront à l'océan (tailles, formes, densités). Ces processus interviennent également lors de leur échouage sur les plages sous l'effet du soleil, du vent, des vagues et des marées, et seraient susceptibles d'impacter plus de 60 % des particules rejetées par les fleuves et villes côtières qui finissent par s'échouer sur le littoral d'après les modèles de dispersion (Chenillat et al., 2021).

L'ensemble de ces phénomènes complexes constitue ainsi une limite pour l'initialisation des modèles lagrangiens à partir de sources quantitatives et qualitatives robustes, pourtant déterminantes pour estimer la répartition spatiale des zones d'accumulation en mer, des côtes au large, des échelles régionales à l'océan global.
« fictives » s'échouent le long des côtes indonésiennes (60 %), avant un délai de 6 mois (84 %) et dans un rayon moyen de 1 000 km (76 %). En traçant uniquement la concentration de ces particules « échouées » sur les côtes du modèle (figure 3b), on peut reconstruire assez facilement une carte géographique complète de la ligne de côte de l'ensemble de la région (à l'exception de la côte malaisienne de Bornéo et de la côte nord-ouest de l'Australie). La variabilité temporelle des « échouages » dans la région présente deux pics saisonniers, centrés sur janvier-février et juin-juillet, en accord avec les observations in situ et les conditions atmosphériques de la mousson. Plus généralement, afin d'offrir une régionalisation plus détaillée des différentes facettes du devenir des déchets rejetés en mer, un atlas régional de l'échouage des débris marins flottants a été établi par Dobler et al. (2021), avec l'ambition de mettre en place une stratégie d'atténuation des déchets le long des zones côtières en collaboration avec les experts scientifiques, les associations non gouvernementales telles que Plastic Nomad (www.nomadplastic.com) ou The Sea Cleaners (www.theseacleaners.org), et les autorités nationales de l'Indonésie. Des outils de suivi en temps réel et des études de déploiement de dériveurs lagrangiens en mer de Java viennent compléter cet arsenal (Rizal et al., 2021; Gautama et al., 2022). Le développement et la mise en place des outils numériques sur cette région ont aussi permis de se rendre compte de la grande complexité de la réponse des couches de surface de l'océan et de l'enchevêtrement important des principales échelles spatiales et temporelles. Cela a

aussi été l'opportunité de souligner la complexité de la comparaison directe entre les observations in situ (concentration en mer ou bien bilans issus des ramassages sur les plages et les îles) et les simulations numériques pour les déchets « échoués », en raison de l'hétérogénéité des méthodes, des protocoles de terrain et des mesures bien trop rares en règle générale.

## Quelles sont les inconnues ?

Tout comme dans le cadre des projections climatiques, des débats animent la communauté scientifique sur les échelles de mouvement qui doivent être représentées explicitement (« résolues ») dans les modèles numériques afin de déterminer les cheminements, l'origine et le devenir des déchets plastiques dans les océans. Par rapport aux courants-jets atmosphériques et aux systèmes météorologiques des latitudes moyennes, les équivalents océaniques (courants de bord tels que le Gulf Stream, tourbillons de méso-échelle aux processus de sous-méso-échelle) ont une échelle spatiale environ dix fois plus petite. L'océan présente également des frontières (littoral) et une orographie de subsurface (bathymétrie) qui limitent les voies de circulation, ainsi que des régions du plateau continental moins profondes où les marées deviennent importantes. Déterminer les échelles qui doivent être explicitement résolues dans l'océan est un défi, car les processus de petite échelle peuvent avoir un impact substantiel sur des événements à plus grande échelle et sur leur variabilité. La

structuration modélisée dans le centre du gyre de l'Atlantique Nord montre bien la prédominance des tourbillons de méso-échelle, tout comme pour le Pacifique Nord, mais avec une extension longitudinale plus prononcée d'un bord à l'autre du bassin (figure 4). Si les fronts à sous-méso-échelle (inférieurs à 1 km en général) peuvent être associés à des zones de convergence qui accumulent les particules flottantes de surface, une asymétrie dans la convergence horizontale entre les tourbillons cycloniques et les tourbillons anticycloniques à méso-échelle vient récemment d'être mise en évidence par Vic et al. (2022). En effet, en combinant les trajectoires des flotteurs de surface dérivants avec une base de données de tourbillons de méso-échelle issue de l'altimétrie dans l'océan Atlantique Nord, ils ont montré que les cyclones de méso-échelle contiennent 24 % de flotteurs de plus que les anticyclones. Les résultats d'une simulation numérique lagrangienne utilisant un modèle à très haute résolution (1 km) reproduisent quantitativement ces résultats d'observation, tout en révélant que les fronts cycloniques de nature non géostrophique concentrent les particules quelques jours avant la formation et la détection du tourbillon à méso-échelle. Des questions fondamentales persistentes donc sur les processus dynamiques que nous devons être capables de simuler dans les modèles afin d'apporter des réponses pertinentes au problème de la dispersion et de l'accumulation des déchets et plastiques marins dans les océans.

Les perspectives de ces premières études sont importantes tant les facettes de la problématique de la

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 3. Répartition de la concentration en surface de particules « fictives » (par élément de maille) dispersées dans les courants issus d'un modèle à 5 km de résolution horizontale pour la période 2016-2020 (configuration SEA-5 du modèle Symphonie, courtoisie de Marine Herrmann, IRD/Legos). La concentration en pleine mer (a) et celle « échouée » près de la ligne de côte du modèle (b) sont issues d'une simulation avec une source provenant des 21 principales rivières d'Indonésie (le scénario d'émission est détaillé dans Dobler et al., 2022).</figcaption></figure>
<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 4. Répartition de la concentration en surface de particules « fictives » (par élément de maille de la grille ORCA au 12° de degré) dispersées dans l'océan Atlantique Nord. Les conditions de simulation sont identiques à celles de la figure 2.</figcaption></figure>

pollution par les débris et déchets plastiques marins sont nombreuses et, très sûrement, connectées entre elles. Les concentrations en mer sont sensibles aux différents processus et phénomènes physiques ayant des échelles spatio-temporelles très variées, la dispersion de ce contaminant a été abordée d'un point de vue découplé, en additionnant simplement les effets des différentes composantes de courant. Des efforts récents ont été menés pour développer et prendre en compte explicitement le couplage entre un modèle de circulation océanique et un modèle de vague qui inclut la prise en compte des interactions entre le vent, les couleurs et les vagues (Couvelard et al., 2020). Même si la représentation de la physique est relativement peu modifiée par ce couplage, on s'attend tout de même à un effet non négligeable sur les analyses de dispersion qui intègrent, dans le temps et dans l'espace le long des trajectoires des particules, toutes les échelles de la variabilité océanique.

Le focus a été mis dans cet article sur les processus physiques et la dérive affectant les couches de surface des océans, en assimilant les débris ou déchets plastiques marins à des particules « fictives » assujetties à la dynamique des couches océaniques et neutres d'un point de vue dynamique. Des développements récents incluant la prise en compte des propriétés dynamiques des débris qui ont un impact

sur leur enfoncement vertical dans la colonne d'eau (voir l'encadré 1), en particulier la densité du polymère ou bien encore l'épaisseur et la densité du biofilm, montrent un effet majeur sur le transport tridimensionnel des microplastiques, suivi par la dispersion turbulente et les processus de dégradation (Jalón-Rojas et al., 2019). L'intégration des polluants plastiques dans les cycles biogéochimiques océaniques est en voie de développement et elle permettra de mieux comprendre les facteurs principaux qui conduisent à une forte exposition du zooplancton aux microplastiques (Richon et al., 2022), et de comprendre ainsi leur impact à l'échelle globale.

## Bilan et perspectives

Pour conclure, la problématique des débris et déchets marins incite à accélérer et à renouveler dans une certaine mesure les recherches fondamentales et appliquées à partir des modèles dynamiques de dispersion au sein de la circulation générale océanique. Viatte et al. (2020) ont légitimement supposé que dans les décennies à venir les mesures par satellite atteindront une haute résolution dans l'espace ainsi qu'une fréquence de revisite plus élevée dans le temps, permettant de suivre la polution sur une base horaire dans une région d'un kilomètre ou moins pour l'atmosphère et de quelques mètres

pour l'océan. Dans le même temps, de nombreux capteurs in situ fournissent des informations supplémentaires permettant de mieux estimer les informations dans l'atmosphère (y compris pour les microplastiques, voir Luo et al., 2022), et les dérives dues aux courants et aux vents de surface dans l'océan. Ces nouveaux ensembles de données stimuleront, à leur tour, la recherche sur la variabilité et le transport des polluants et augmenteront ensuite la précision des modèles atmosphériques et océaniques. Finalement, en suivant le plaidoyer proposé par Rochman et al. (2019), nous devrons mieux prendre en compte la complexité et la diversité des microplastiques. Ils proviennent d'une multitude de sources, ont des tailles, des formes, des couleurs et des types de matériaux différents, et contiennent un mélange de produits additifs divers. Ils migrent dans l'environnement par diverses voies et affectent les écosystèmes de différentes manières. Si nous voulons vraiment comprendre l'impact des débris et des déchets plastiques, nous devrons aussi reconnaître cette diversité dans notre conception des études, de nos protocoles de surveillance, de nos méthodes d'analyse, de nos évaluations de la toxicité et de notre communication avec les décideurs et le public. Les outils de la modélisation numérique devront suivre ce cheminement et aborder les défis de la dispersion en prenant en compte la diversité de ces polluants et de leurs émissions dans l'environnement.

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