Surveillance des concentrations de carbone et de l'acidification des océans

Par Toste Tanhua[1], James C. Orr[2], Laura Lorenzoni[3] et Lina Hansson[4]

La concentration atmosphérique de dioxyde de carbone (CO₂) a augmenté de 42 % depuis le début de l’ère industrielle à cause des émissions provenant de l'exploitation des combustibles fossiles, de la production de ciment et des changements d'affectation des terres (Bulletin de l'OMM sur les gaz à effet de serre, N° 10). En 2010, on estime que les océans du globe avaient déjà absorbé 155 ± 30 pétagrammes (Pg) (1 pétagramme = 10¹⁵ g) de CO₂ anthropique (Khatiwala et al., 2013), soit 28 % des émissions totales de CO₂. Ce phénomène a limité la hausse de la concentration atmosphérique de CO₂ et a ainsi contribué à réduire le changement climatique, mais il pourrait en revanche avoir de très graves conséquences sur la chimie et la biologie des océans.

Depuis le début de l'ère industrielle, l'activité humaine a provoqué l'apport dans les océans d'une quantité moyenne de 4 kg de CO₂ par jour et par personne. Ce CO₂ anthropique réagit avec l'eau pour former un acide. À mesure que les concentrations de CO₂ atmosphérique augmentent, les quantités de ce gaz absorbées par les océans augmentent également, et ce phénomène réduit le pH de l'eau (le pH, ou potentiel hydrogène, est une mesure de l'acidité; une baisse de la valeur du pH d'un liquide indique une augmentation de son acidité) en vertu d'un processus qu'on appelle «acidification des océans». Cette hausse de l'acidité de l'eau (augmentation de la concentration en ions hydrogène (H⁺)) s'accompagne d'une diminution simultanée de la concentration en ions carbonate (CO₃^2-) qui réduit la capacité chimique des océans à absorber le CO₂ tout en dégradant l'aptitude de certains organismes marins à fabriquer et à entretenir leur coquille ou leur exosquelette.

La baisse du pH due à l'acidification est déjà mesurable à la surface des océans et s'accélère. Les mesures effectuées aux sites de collecte de séries chronologiques de données biogéochimiques répartis dans le monde révèlent toutes des tendances similaires à la baisse du pH de l'eau de mer (réductions de 0,0015 à 0,0024 unité de pH par an), mais les jeux de données disponibles ne portent que sur les dernières décennies. Pour estimer les changements antérieurs, les chercheurs ont eu recours à des modèles et à l'extrapolation. Les résultats des deux méthodes convergent pour indiquer que depuis 1860, le pH à la surface des océans est passé de 8,2 à 8,1, soit une augmentation de la concentration d’ions hydrogène de 26 %. On peut mettre le taux actuel d'augmentation en perspective en le comparant aux relevés paléoclimatiques. Le rythme des changements actuels semble être le plus rapide enregistré depuis au moins 300 millions d'années, et le phénomène d'acidification naturelle le plus rapide de l'histoire, intervenu il y a 55 millions d'années, était probablement dix fois plus lent.

Dans la plupart des scénarios d'émissions, les modèles du système terrestre prévoient une accélération de l'acidification qui se poursuivra au moins jusqu'au milieu du siècle. Exécutés en tenant compte des scénarios les plus récents établis par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), les 

modèles du système terrestre utilisés dans le cadre de la cinquième phase du Projet de comparaison de modèles couplés (CMIP5) ont régulièrement montré que les baisses du pH de la surface des océans dépendront presque exclusivement de l'évolution des concentrations atmosphériques de CO₂. Pour la période allant de 1850 à 2100, en vertu des scénarios les plus prudents du GIEC concernant l'évolution des concentrations de gaz à effet de serre, la baisse des valeurs moyennes mondiale du pH à la surface de la mer varie selon les modèles entre 0,12 et 0,14, soit une hausse de 36 % de l'acidité. En vertu du scénario le plus pessimiste, elle varie entre 0,41 et 0,43, soit une hausse de 165 % de l'acidité.

L'absorption de quantités accrues de CO₂ par les mers du globe modifie le cycle des carbonates marins, lequel influe sur l'acidification de l'eau de mer. Lorsque le CO₂ se dissout dans l’eau de mer, il forme de l'acide carbonique (H₂CO₃), un acide faible qui se dissocie en ions bicarbonate (HCO₃^-) et hydrogène (H⁺). Une hausse de la teneur en ions H⁺ augmente l'acidité (baisse du pH), mais là n'est pas le seul problème. Le taux d'acidification des océans est ralenti par la présence des ions CO₃^2- qui se lient à la plupart des ions H⁺ nouvellement produits pour former du bicarbonate. Cependant, cette réaction tampon consomme du CO₃^2- et réduit du même coup la capacité chimique de l'eau de la couche superficielle de l'océan à absorber plus de CO₂. On calcule qu'à l'heure actuelle, cette capacité d'absorption ne représente plus que 70 % de celle qui existait au début de l'ère industrielle, et qu'elle pourrait baisser encore pour atteindre 20 % d'ici la fin du siècle. Les mêmes modèles prévoient que les concentrations de CO₃^2- atteindront des niveaux si faibles d'ici le milieu du siècle que la croissance des coraux tropicaux pourrait s'en trouver menacée. Dans les océans polaires, où le CO₃^2- est naturellement moins abondant, ses concentrations sont déjà passées sous le seuil critique à partir duquel l'eau devient corrosive pour un minéral de carbonate de calcium (CaCO₃) appelé aragonite – le principal composant des coquilles et des exosquelettes de nombreux organismes marins. On prévoit que d'ici la fin du siècle, ces conditions corrosives s'étendront pour couvrir l'ensemble des océans polaires, ce qui n'augure rien de bon pour la survie d'organismes comme les ptéropodes – des gastéropodes qui secrètent de l'aragonite pour construire leur coquille – ni pour la sécurité alimentaire des humains puisque beaucoup d'organismes marins économiquement importants dépendent de la disponibilité du CO₃^2- pour leur survie.

Si les projections concernant l'évolution du pH à la surface des océans sont remarquablement cohérentes, les données des modèles sont plus contrastées en ce qui concerne l'ampleur des changements qui surviendront sous la surface. Par ailleurs, la résolution des modèles actuels du système terrestre est toujours insuffisante et ne permet pas de suivre les changements qui surviennent dans les zones côtières, où d'autres activités humaines risquent aussi d'influer sur le pH de l'eau.
 

Les conséquences que l'acidification des océans peut avoir pour les organismes marins sont par leur nature même complexes. Les premières études du phénomène ont porté principalement sur les organismes calcifiants tels que les mollusques, les coraux, les algues corallinacées et certaines formes de plancton dont l'aptitude à former leur coquille ou leur exosquelette (par le biais de la calcification) dépend de la quantité de CO₃^2- présente dans l'eau. Autre inquiétude : les changements du pH de l'eau pourraient influer sur les processus physiologiques dépendant de la stabilité de la chimie intracellulaire. Par exemple, les organismes marins pourraient être contraints d'utiliser plus d'énergie pour la régulation chimique intracellulaire, au détriment d'autres processus biologiques comme la croissance et la reproduction.

Nous avons assisté au cours de la dernière décennie à une croissance exponentielle des recherches et des publications portant sur l'évaluation des effets des concentrations élevées de CO₂ sur les organismes marins. Le nombre de publications consacrées chaque année à l'acidification des océans a doublé tous les deux ou trois ans pour atteindre 540 en 2013 (base de données bibliographiques du Centre de coordination de l'action internationale relative à l'acidification des océans (OA-ICC) de l'AIEA). En 2013, Thompson-Reuters a qualifié l'acidification des océans de champ de recherche «numéro un» en matière d’écologie et de sciences de l'environnement. Bien qu'encourageante en soi, cette croissance a compliqué la synthèse des résultats. Les chercheurs se sont récemment tournés vers des techniques statistiques appelées méta-analyses pour faire des synthèses quantitatives des résultats de centaines d'études et en déduire les tendances et la variabilité expérimentale par rapport aux moyennes. Une de ces méta-analyses montre qu'une réduction du pH atteignant 0,5 unité peut conduire à une réduction sensible du taux de survie, de la calcification, de la croissance et du développement et provoquer la raréfaction d'un large éventail d'organismes, mais que les réactions varient considérablement d'un groupe d'organismes à l'autre. Une autre a démontré que certains groupes (échinodermes, bivalves, gastéropodes et coraux) affichent une réaction négative à des concentrations de CO₂ beaucoup plus faibles que d'autres (crustacés et céphalopodes). La même étude a révélé que l'acidification peut également avoir des effets négatifs sur les fonctions cérébrales et le comportement des poissons.

Les premières études portant sur les conséquences possibles de l'acidification des océans sur les organismes marins se sont d'abord intéressées aux organismes calcifiants tels que les mollusques, en raison de leur aptitude à élaborer leur coquille ou leur squelette (par calcification) et de leur dépendance à l’égard de la concentration de carbonates.

La plupart des recherches réalisées jusqu'à ce jour ont mis l'accent sur les réactions observées au niveau individuel, mais certaines ont porté sur des groupes d'organismes maintenus en captivité pendant des semaines ou des mois dans de vastes contenants (mésocosmes) flottant dans une colonne d'eau ou arrimés au-dessus des sédiments du fond. Les conditions chimiques de ces mésocosmes peuvent être modifiées pour reproduire celles prévues à l'avenir; les chercheurs peuvent ainsi étudier les effets futurs possibles de l'acidification des océans sur les organismes testés. Une autre démarche prometteuse consiste à étudier les effets à long terme de l'acidification d'écosystèmes entiers en tirant parti des sites naturels d'éruption sous-marine de CO₂ pur. Une de ces études réalisée près du mont Vésuve, dans la baie de Naples, a permis de constater que cette zone acide et riche en CO₂ était biologiquement beaucoup moins diversifiée que les régions voisines (par exemple, beaucoup moins d'organismes calcifiants) et que les coquillages qui y persistaient étaient plus fragiles. Ces effets de l'acidification à long terme d'écosystèmes entiers concordent avec les résultats d'expériences à court terme réalisées en laboratoire ou sur le terrain sur des organismes individuels.

L'acidification des océans s'accompagne d'autres changements à grande échelle tels que le réchauffement, une stratification accrue (dans les océans, la stratification – c'est-à-dire la formation de couches de densités différentes – est déterminée principalement par les variations de la température et de la salinité de l'eau) et une baisse des concentrations d'oxygène sous la surface, qui sont tous liés au changement climatique. Le réchauffement et la stratification ont généralement peu d'effets sur l'acidification. Le réchauffement neutralise moins de 10 % de l'effet de la hausse de la concentration de CO₂ à cause de la chimie du carbonate et de la solubilité du CO₂. En revanche, la baisse de la salinité due à une augmentation de la fonte des glaces aggrave de fait l'acidification prévue, en particulier aux endroits où le rythme de fonte de la glace est important comme dans l'Arctique.

Séries chronologiques et lignes de tendance des mesures désaisonnalisées du pH à la surface des océans. La carte figurant à la page précédente montre l'emplacement des stations établissant les séries chronologiques. Le pH est mesuré sur l'échelle totale pour les températures in situ.

Dans les zones côtières, d'autres facteurs de stress plus circonscrits interviendront. Par exemple, l'eutrophisation (excès de nutriments qui accélèrent la croissance des algues, lesquelles provoquent la désoxygénation de l'eau lorsqu'elles meurent et sont consommées par les bactéries), une hausse de l'apport en eau douce, et les dépôts d’azote et de soufre atmosphériques d’origine humaine. Il demeure difficile aujourd'hui d’établir comment les incidences biologiques varient lorsque de multiples facteurs de stress agissent conjointement ou séparément.

Les tendances à la baisse du pH et à la hausse de la pression partielle du dioxyde de carbone (pCO₂) dues à l’absorption de CO₂ anthropique s'observent dans les océans. Comme cette absorption se produit à la surface, ces tendances devraient être plus fortes à cet endroit, mais le signal a tendance à être masqué par une importante variabilité temporelle prenant principalement la forme de cycles saisonniers, bien que des sources de variabilité à plus court et à plus long terme puissent aussi intervenir. L'observation de ces tendances nécessite donc la collecte de séries chronologiques très longues d'observations relativement fréquentes. Nous disposons de quelques séries chronologiques de données d’observation recueillies en continu autour du globe et qui procurent des jeux de données temporellement cohérentes portant sur des périodes de longueur suffisante (au moins dix ans) pour permettre de caractériser les changements survenus dans la biogéochimie et les écosystèmes des océans. Les stations où ces séries chronologiques sont recueillies (voir la carte ci-dessus) sont censées être représentatives des régions océaniques dans leur ensemble. 

Séries chronologiques et lignes de tendance des mesures désaisonnalisées de la pCO₂ à la surface de l'océan.

Dans toutes les stations on note une hausse de la pCO₂ en surface et une baisse du pH au fil du temps en raison de l'augmentation des émissions anthropiques de CO₂ (voir les graphiques ci-dessous). Pour évaluer ces changements, les données de surface désaisonnalisées à l'aide des procédures recommandées par le programme de la Veille de l’atmosphère globale (VAG) de l'OMM ont servi à établir l'ajustement linéaire de la tendance afin de permettre la comparaison des variations décennales pour chaque station. Bien qu'il existe des variations saisonnières et interannuelles de la concentration de CO₂ dissous dans l'eau de mer – la pCO₂ –, cette concentration a augmenté au rythme de 1,3 à 2,8 microatmosphères (µatm) par année (à titre de comparaison, la concentration atmosphérique a affiché une hausse annuelle moyenne de 2,1 ppm au cours des dix dernières années), tandis que le pH à la surface des océans affichait pendant la même période d'observation une baisse moyenne de -0,0013 à -0,0024 par année, selon l'endroit. Le rythme de ces changements dépend non seulement de la chimie, mais également d'autres facteurs physiques et biologiques propres à chaque région. Aux stations ESTOC, HOT et BATS (voir les graphiques à la page 50), les taux d'augmentation de la pCO₂ en surface correspondent à la hausse de la concentration de CO₂ atmosphérique. À la station DYFAMED, les changements dans la circulation océanique méditerranéenne influent sur l'évolution de ce paramètre. À la station CARIACO, les changements mesurés de la pCO₂ en surface sont parmi les plus importants et peuvent être attribués au réchauffement de l'eau en surface lié à une réduction des remontées d'eau qui conduit à son tour à une réduction de la productivité biologique. Les séries chronologiques subpolaires affichent certaines des valeurs de la variabilité temporelle les plus élevées qui sont dues en partie aux importants écarts de température et de productivité biologique. 

Une nouvelle initiative internationale, le Réseau mondial d'observation de l'acidification de l’océan (Global Ocean Acidification Observing Network – GOA-ON; www.goa-on.org) vise à atteindre cet objectif. 

Bien que nous mettions ici l'accent sur les observations réalisées en surface, l'absorption du carbone anthropique et les changements qu'elle entraîne dans la chimie de l'eau influent également sur une vaste portion de la colonne d'eau. Les hausses les plus fortes de la pCO₂ et de l’acidification de l'eau s'observent d'ordinaire en surface, mais le transport dans les profondeurs depuis la couche de mélange océanique demeure le principal mécanisme de régulation à long terme de l'absorption du carbone anthropique dans l'eau de mer. Ce transport dépend d'ordinaire des processus physiques de «ventilation» de l'océan. À l'heure actuelle, les changements de la chimie des carbonates océaniques en profondeur (sous la surface) – par exemple, les variations de la concentration en carbone dissous et les tendances du pH – ne peuvent être évalués qu'à partir de mesures répétées effectuées depuis des navires à travers les mêmes sections océaniques. On doit pour cela procéder à peu près tous les dix ans à une série de campagnes d'observation à l'échelle de la planète. La fréquence moins élevée des échantillonnages se justifie par le fait que les conditions en profondeur sont beaucoup moins variables qu'en surface. Cependant, il est tout de même nécessaire de procéder à des corrections pour prendre en compte certaines sources de variabilité à petite échelle – par exemple, les remous.

À l'heure actuelle, rares sont ceux qui procèdent à des observations régulières de la concentration du CO₂ dans l'océan, et plusieurs régimes océaniques importants n'ont encore fait l'objet d'aucune mesure systématique de ce paramètre. La réalisation de longues séries d'observations dans l'océan constitue un défi logistique, en particulier pour les pays en développement, et cette difficulté nuit grandement aux efforts déployés pour quantifier les tendances de l'acidification des océans et de la chimie des carbonates. Il est important de surveiller de près l'absorption du CO₂ dans les océans pour acquérir une meilleure compréhension du bilan carbone à l'échelle mondiale – et pour déterminer où aboutit le CO₂ émanant de combustibles fossiles. Aujourd'hui, seules quelques provinces océaniques font l'objet d'observations systématiques et continues, ce qui nuit à notre compréhension de la variabilité et des tendances temporelles et spatiales de l'absorption du carbone par les océans. Il conviendrait de maintenir et d'étendre les programmes d'observation du CO₂ réalisés à partir de stations océaniques ainsi que les programmes de mesures effectuées à la surface et sous la surface des océans à partir de navires.

Related Links

Global Ocean Acidification Observing Network (GOA-ON)

Ocean Acidification, IOC-UNESCO

Ocean Acidification International Coordination Centre (OA-ICC), IAEA

Three Tools to Solve The Mystery of Ocean Acidity, Climate Central

The other carbon-dioxide problem, The Economist 

A Year in the Life of Earth’s CO2, NASA (video)

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¹ GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research, Kiel, Germany
² Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement, CEA-CNRS-UVSQ, Paris, France
³ University of South Florida, St. Petersburg, Fl, USA
⁴ Ocean Acidification International Coordination Centre (OA-ICC), International Atomic Energy Agency (IAEA)