Océan et Climat : La pompe à carbone océanique

C’est un fait scientifiquement démontré. L’augmentation du gaz carbonique (CO2) dans l’atmosphère dû aux activités anthropiques des 200 dernières années entraîne un changement climatique majeur à l’échelle de la planète. Si nous sommes tous sensibilisés à la capacité des forêts à absorber et à stocker durablement le CO2 atmosphérique grâce à la photosynthèse, qu’en est-il du rôle de l’océan ? Grâce à divers processus physico-chimiques et biologiques la masse d’eau salé de notre planète absorbe presque un tiers de nos émissions de CO2. et les stocke sur le long terme. Ce système de pompage et de stockage est pourtant limité et l’augmentation de la quantité de carbone dissous dans les océans a de graves conséquences sur le système de pompage en lui-même ainsi que sur la biodiversité marine.

Une seule pompe ? Non deux !

L’atmosphère et l’océan existent sur notre petite planète depuis plus de quatre milliards d’années. De nombreux échanges physico-chimiques se produisent à l’interface entre la couche gazeuse et la masse liquide. Parmi les contributions notables de l’océan à la vie terrestre, il y a l’apport massif en dioxygène (O2) dans l’atmosphère via la photosynthèse d’organismes unicellulaires marins il y a environ 3,5 milliards d’années. L’océan est donc capable d’exporter des éléments chimiques vers l’atmosphère sous la forme de gaz dissous ou bien sous forme de condensation comme l’eau qui s’évapore dans l’atmosphère dans le cycle de l’eau. Cependant nous parlons ici d’échanges ce qui implique que l’atmosphère est également capable de transmettre des molécules gazeuses vers l’océan. La surface de ce dernier est donc loin d’être une barrière hermétique et les phénomènes se déroulant dans l’un de ces deux compartiments auront des répercutions sur le second. C’est le cas du dioxyde de carbone atmosphérique (CO2) qui passe de l’atmosphère à l’océan grâce à un système de pompage biologique et physico-chimique qui n’est finalement pas si complexe. Vous allez voir !

Schéma simplifié de la pompe biologique et de la pompe physique séquestrant le CO2 dans l’océan. Illustration : Isaac Sanolnacov.

Avant de nous intéresser aux systèmes de pompage il est important de savoir comment et sous quelle forme le carbone atmosphérique pénètre dans l’océan. Dans ce dernier, le carbone inorganique est principalement présent sous la forme d’ions bicarbonates (HCO3). Pour passer d’une forme gazeuse dans l’atmosphère (CO2) à une forme ionique dans l’océan (ions carbonates CO32), une simple réaction chimique de dissolution se produit. Au contact de l’eau de mer (H2O), le CO2 forme de l’acide carbonique (H2CO3) qui en se dissolvant donnera des ions de bicarbonate (HCO3) et et des protons (H+). Les ions carbonates quant à eux pourront notamment être utilisés par les organismes marins pour former leur structure calcaire en lui associant des ions calcium (Ca2+) mais nous en reparlerons plus loin.

Commençons par le système de pompage ayant le temps de séquestration le plus court : la pompe dite « biologique ». Comme les forêts terrestres qui utilisent le CO2 atmosphérique, tout part de la photosynthèse. Sauf qu’ici ce ne sont pas des arbres immenses qui captent le carbone atmosphérique mais des organismes photosynthétiques microscopiques, vivant dans la couche de surface éclairée des océans, et qui utilisent le carbone inorganique dissous et la lumière du soleil. Ils constituent la production primaire des écosystèmes pélagiques (sous la forme de carbone dit « organique ») à la base de toute la chaîne alimentaire (réseau trophique). Ces petits organismes constituent la porte d’entrée du carbone dans la pompe biologique. Au travers des interactions entre les différents maillons du réseau trophique (broutage, prédation, etc.) et des différentes transformations qu’il subit, le carbone organique est ainsi stocké au sein des êtres vivants marins. Une infime partie du carbone organique « plonge » vers le fond où il sédimente et sera piégé pour plusieurs milliers d’années. La pompe biologique capte ainsi chaque année 10 milliards de tonnes de carbone de l’atmosphère.

La pompe biologique du carbone dans le détail. Les chiffres indiquent les flux de carbone en gigatonnes par an. COD : carbone organique dissous. COP : carbone organique particulaire. Illustration : traduit de Cavan et al. (2019).

La seconde pompe, dite physico-chimique, a un fonctionnement basé sur la température de l’eau et par extension la circulation océanique. Pour faire simple, plus l’eau de mer est froide, plus l’océan captera des quantités importantes de CO2 atmosphérique. Ainsi, les parties de l’océan situées aux plus hautes latitudes (proches des pôles) sont des hauts lieus de captation du carbone. Ce eaux froides gorgées de carbone vont plonger du fait de leur forte densité et ainsi entraîner une migration verticale du carbone capté. Les variations de température et de salinité des masses d’eau vont permettre leur circulation et ainsi le piégeage du carbone atmosphérique pour plusieurs millénaires.

Un stockage sans limite ?

L’océan mondial pompe donc en continu le carbone de l’atmosphère, dont le carbone d’origine anthropique, qui est en constante augmentation depuis le début de l’ère industrielle au 19ème siècle (une augmentation de 40 % au cours des deux derniers siècles). L’océan pompe ainsi depuis 200 ans 30 % du CO2 atmosphérique d’origine anthropique soit 150 milliards de tonnes de carbone. Sans ce pompage massif, le réchauffement climatique de notre planète serait bien plus important et les scénarios d’augmentation de la température à la surface du globe les plus pessimistes du GIEC seraient largement dépassés. Bien que l’océan soit un système thermodynamique massif de la taille de notre planète bleue, il reste un système fermé aux ressources et à la capacité de stockage limités. La question n’est donc pas de savoir si sa capacité de stockage a une limite mais plutôt de l’évaluer et par extension de prévoir le moment où le système sera saturé.

La première élément à avoir en tête est le mécanisme de saturation de l’océan en carbone. L’apport rapide de carbone anthropique entraîne une augmentation du CO2 dans l’océan par rapport aux autres espèces chimiques de carbone dont notamment les ions de bicarbonate HCO3 et les ions carbonates CO3. Ce processus conduit également à une augmentation de la quantité d’ions H+ responsables de l’augmentation du pH et de l’acidification de l’océan. Mais nous reparlerons de ce processus dans la partie suivante.

Intéressons nous maintenant aux second processus menant à la saturation du puits de carbone océanique. Ce phénomène pourrait être comparé à un cercle vicieux. Le terme plus scientifique est la rétroaction du climat sur la capacité de pompage des masses océaniques. Ainsi la diminution de la capacité de stockage par le phénomène de saturation décrit précédemment conduit à une augmentation plus rapide de la quantité de CO2 atmosphérique, qui à son tour augmente l’effet de serre qui entraîne une augmentation de la température de surface de l’océan, ce qui réduit le phénomène de dissolution du CO2 atmosphérique à l’interface océan/atmosphère. La boucle est bouclée. La capacité de piégeage de l’océan est donc en train de diminuer et ce phénomène va s’intensifier dans les décennies à venir. Voilà ce qu’il en est pour la pompe physico-chimique. Mais que ce passe-t-il pour la pompe biologique ?

Les effets du réchauffement climatique sur la physico-chimie de l’océan. Illustration : IPCC, SROCC, Chapitre 1 – 2019.

Hé bien c’est assez difficile à dire en fait car de nombreux processus sont impactés par l’augmentation du CO2 inorganique dans l’océan. Contrairement aux systèmes terrestres, l’augmentation de la quantité de CO2 dissous ne stimule pas la croissance des organismes marins photosynthétiques. Cela est notamment dû à l’influence d’autres facteurs limitant leur développement comme la salinité, le pH ou la quantité de lumière.

Les estimations de l’évolution de la production primaire dans les décennies à venir indiquent une tendance globale à la diminution de la production primaire océanique produite par le phytoplancton, et donc une baisse d’efficacité de la pompe biologique. Ce constat n’est pas le même selon la latitude prise en compte. Ainsi, les hautes latitudes verront leur production primaire augmenter avec l’augmentation du carbone dissous disponible, tandis que les plus basses latitudes verront le phénomène inverse se produire. Ce dernier phénomène est notamment lié à la diminution de la disponibilité des nutriments.

Les zones de fortes concentrations en organismes phytoplanctoniques sont révélées par la concentration en chlorophylle avec de forte variations en fonction de la température, de la lumière et de la disponibilité en nutriments. Source : Nasa.

Lorsque nous faisons le bilan global de l’impact de l’augmentation du CO2 dissous dans l’océan sur le système de pompage (physico-chimiques et biologique), il est clair qu le réchauffement climatique entraîne un affaiblissement de la capacité de stockage de l’océan. L’amoindrissement de la capacité de l’océan à capter le CO2 entraîne une augmentation du carbone dans l’atmosphère et donc un réchauffement climatique accru. L’accumulation massive et rapide de CO2 dans l’océan vient également influencer un paramètre primordial de la biochimie marine : le pH.

Quand l’océan s’acidifie

Le pH (potentiel hydrogène) correspond à la mesure de l’alcalinité qui définie si une solution est acide ou basique. L’acidification de l’océan correspond à une baisse du pH reflétant un déplacement de l’équilibre de la réaction acido-basique du carbone du fait de l’augmentation du CO2 dissous pompé depuis l’atmosphère. Dans cette nouvelle configuration les proportions des éléments carbonés dans l’océan sont modifiées. La concentration en CO2 augmente donc mais aussi celle du HCO3 tandis que la quantité d’ions CO32- diminue. Par extension le nombre de portons H+ augmente ce qui se traduit par une acidification de l’océan.

Evolution des concentrations des différents éléments carbonés dissous en fonction de la valeur du pH. Source : BeAr.

En 250 ans l’acidité de l’océan a augmenté de 30 %. Le pH est passé d’une valeur moyenne de 8,2 à 8,1 du fait des émissions humaines de CO2. L’acidification est un phénomène et non un état. En effet, si le pH diminue, l’océan n’est pas acide. Cependant, ce phénomène impact fortement la biodiversité marine utilisant les ions carbonates CO32- dont la concentration diminue. Parmi les organismes les plus impactés se trouvent les espèces du phytoplancton et les récifs coralliens qui utilisent les ions carbonates associés au calcium Ca2+ pour former des structures calcaires.

Evolution du pH à la surface de l’océan entre le 17ème et le 20ème siècle. Source : Plumbago.

Le mot de la fin

Les émissions de CO2 produites par les activités humaines ont peu de probabilités de ralentir et encore moins de diminuer dans les prochaines décennies. Même dans les scénarios les plus optimistes d’une diminution drastique des concentrations de CO2 atmosphérique au cours du 21èmme siècle, les océans sont impactés pour plusieurs centaines voire plusieurs milliers d’années. Connaître les mécanismes de fonctionnement de la pompe à carbone océanique est indispensable pour modéliser non seulement l’évolution des conditions de température de l’océan mais surtout pour anticiper les changements climatiques à venir. L’océan et l’atmosphère sont en permanente interaction, réglant le climat de la planète et notamment celui des petites portions terrestres où nous vivons.

En plus de nous impacter directement, le réchauffement de l’océan et son acidification entraîne de profonds changements au sein de la biodiversité marine avec comme perspective à court terme (quelques décennies) la disparition de certaines espèces. C’est déjà le cas des coraux actuellement soumis à des phénomènes de blanchissement et de mortalité massive.

Pour en savoir (beaucoup) plus

Bop L., Bowler C., Guidi L., Karsenti E., de Vargas C. 2017 L’océan pompe à carbone. Ocean-climate.org https://www.ocean-climate.org/wp-content/uploads/2017/02/ocean-pompe-carbone_FichesScientifiques_04-2.pdf

Sixième rapport du GIEC 2021 https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/

Cavan, E. L., et al. 2019 The importance of Antarctic krill in biogeochemical cycles. Nature communications 10.1 (2019): 1-13. https://www.nature.com/articles/s41467-019-12668-7

Acidification de l’océan. https://ocean-climate.org/sensibilisation/les-impacts-du-changement-climatique-sur-locean/

Surfrider Fundation 2015 Acidification des océans. https://fr.oceancampus.eu/cours/Ajw/acidification-des-oceans?gclid=CjwKCAjwoP6LBhBlEiwAvCcthIa2rdQa1Z2r4eh5UoKo1EjpokwRxh7tLyhYc3Vow8ezP3nq68e-cRoCWhsQAvD_BwE

L’auteur

Arnaud Abadie est un biologiste marin et photographe subaquatique spécialisé dans les écosystèmes de Méditerranée. Il est ingénieur de recherche dans le bureau d’étude Seaviews spécialisé dans la cartographie sous-marine et les études environnementales. Arnaud est le fondateur de Sea(e)scape et l’un de ses contributeurs régulier.

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