L’acidification des océans : causes anthropiques versus variabililité naturelle

Résumé
Du fait de l’augmentation des émissions anthropiques, d’avantage de CO2 pénètre dans l’océan dont les eaux deviendraient ainsi progressivement plus acides; les exosquelettes d’organismes marins (coraux, coquilles et autres organismes calcifiés) qui sont constitués de carbonate de calcium se dissoudraient sous l’effet de l’acidification : telle est la thèse alarmiste.
L’acidification n’est pas une simple réponse statique à l’augmentation de la concentration de CO2 dans l’atmosphère : c’est la résultante de processus biologiques et physico-chimiques qui entraînent une répartition inégale du carbone sur la verticale de l’océan. D’autre part la vie océanique a survécu à des niveaux beaucoup plus élevés de CO2 depuis des millions d’années dans le passé.
Il y a en réalité toutes les raisons de penser que la vie sous marine ne sera pas affectée par une augmentation de l’acidité de l’océan.

L’acidification des océans : le mécanisme

L’eau exposée à l’air devient lentement acide, car le dioxyde de carbone atmosphérique (CO2) en se dissolvant dans l’eau réagit pour donner de l’acide carbonique, H2CO3.
La thèse de l’acidification repose sur le «paradigme » selon lequel, toutes choses égales par ailleurs, une concentration plus élevées de CO2 atmosphérique entraînent une pénétration du CO2 dans l’océan et le déclin du pH. Ainsi selon Caldeira le pH des océans aurait changé d’environ 0,15 unité depuis 1750. Il a supposé (sans fournir aucune preuve empirique), que le pH préindustriel était de 8,25.
L’océan est un système complexe qui ne cède pas à la modélisation simple. La variabilité naturelle du pH des océans rend sujette à caution la thèse selon laquelle la pénétration du CO2 dans l’océan n’est qu’une réponse thermodynamique passive à l’augmentation du CO2 atmosphérique. Le niveau du pH résulte de la combinaison de processus biologiques (pompe biologique) et physico-chimique (upwelling): l’équilibre entre la séquestration du carbone et son exportation vers les basses couches via la pompe biologique est le facteur clé déterminant le niveau du pH.

La variabilité naturelle du PH

En moyenne l’eau de mer de surface est légèrement basique à environ 8,1. Brice Bosnich indique des variations pouvant aller jusqu’à 0,3 unité de pH selon les moments dans la même zone et d’une zone à l’autre.
La variabilité naturelle du pH est produite par des conditions toujours changeantes des eaux de surface et cela à toutes les échelles de temps (saisonnières, multidécenales, millénaires ou glaciaire / interglaciaire). Par rapport au CO2 atmosphérique, les eaux de surface saisonnières peuvent être sursaturées (en raison de l’augmentation de l’eau profonde acide) ou sous-saturées en raison de l’action la pompe biologique (Takahashi 2002).
(Dore, 2009) a montré que les flux de CO2 air-mer, bien que variables, ne semblent pas avoir une influence sur la variabilité du pH de surface. Par exemple, les faibles flux de CO2 dans la mer de 1998-2002 correspondent à un pH bas et des flux relativement élevés pendant la période 2003-2005 coïncident avec un pH élevé.
Deux processus sont à l’ œuvre : le premier est la pompe biologique qui transporte le carbone dans les couches basses augmentant le pH de surface, le deuxième est physico-chimique (upwelling) qui transporte les eaux profondes à la surface en réduisant le pH).

La Pompe biologique, principal responsable du gradient vertical du carbone

L’équilibre entre la séquestration du carbone atmosphérique et les exportations par la «pompe biologique» est le facteur clé déterminant le niveau du pH dans les eaux de surface océaniques.
Le carbone dissous dans l’océan, en grande majorité sous forme d’ions bicarbonates (HCO3 ),n’est pas réparti de façon homogène. Les concentrations sont plus élevées en profondeur qu’en surface et cette inégale répartition du carbone entre surface et fond exerce un contrôle sur le CO2 de l’atmosphère parce que seul le carbone inorganique de la couche de surface est au contact avec l’atmosphère et contribue aux échanges de CO2 avec l’atmosphère. Ce gradient vertical de carbone dans l’océan s’explique par un processus biologiques nommé la pompe biologique.
Le phytoplancton océanique vit dans la couche éclairée de l’océan et utilise l’énergie du soleil pour effectuer la photosynthèse. Ces organismes utilisent les nutriments disponibles dans l’eau de mer, ainsi que le carbone inorganique dissous, pour produire de la matière organique.

phytoplancton

Phytoplanction : Crédit NOAA (www.photolib.noaa.gov)

Cette activité photosynthétique est un mécanisme très efficace pour extraire le CO2 de l’atmosphère et le transférer vers les organismes vivants. Le carbone atmosphérique fixé par les organismes photosynthétiques subit une série de transformations: le phytoplancton peut être directement consommé par le zooplancton, ou indirectement par des bactéries hétérotrophes qui seront à leur tour mangés par les plus grands organismes. Au total, une fraction de la matière organique ainsi produite quitte la couche de surface sous forme de particules (cellules mortes, détritus, pelotes fécales…), transférant ainsi le carbone de surface vers les couches profondes de l’océan.
Ce mécanisme biologique soustrait du carbone au système océan-atmosphère pour de très longues périodes de temps. Chaque année, près de 10 milliards de tonnes de carbone sont ainsi exportées à partir de la couche de surface et sont responsables de la plus grande partie du gradient vertical de carbone (à titre de comparaison l’océan mondial absorbe chaque année 2,6 milliards de tonnes de CO2 par an).

Pompe biologique

Crédit : Bopp et al. 2002

Pompe biologique et pompe physique interagissent

Une deuxième processus physico-chimique dit « pompe physique » contribue à cette inégale répartition du carbone sur la verticale. Le refroidissement des eaux de surface aux hautes latitudes augmente leur capacité à dissoudre du CO2 atmosphérique (principalement en augmentant la solubilité du gaz) tout en augmentant leur densité. Ces eaux plongent alors en profondeur, emportant avec elles le CO2 qui sera soustrait à tout contact avec l’atmosphère, contribuant ainsi au gradient vertical de carbone océanique.
Inversement l’énergie fournie principalement par les vents ou les marées apporte de l’eau plus dense à la surface. Des vents plus forts génèrent plus d’upwelling et de mélange hivernal. Ainsi, les cycles de circulation océanique et atmosphérique qui renforcent et affaiblissent les vents, amènent à la surface des combinaisons et concentrations variées d’éléments nutritifs, ce qui affecte en conséquence la pompe biologique et le pH.
Plusieurs chercheurs (Ullman 2009, Steinberg 2012) ont observé des corrélations significatives entre le mélange hivernal et l’oscillation de l’Atlantique Nord (NAO). Une NAO positive est associée à des vents d’ouest plus forts et se corrèle également avec un gyre subpolaire plus fort. Dans l’hémisphère nord, les gyres de sens antihoraire augmentent les remontées régionales lorsqu’ils se renforcent. Ainsi, les changements dans l’upwelling liés à la NAO provoquent des oscillations multi décennales dans les communautés de plancton et donc le pH.
Dans le Pacifique, les années El Niño renforcent la dépression des Aléoutiennes et la gyre sous-polaire du Pacifique, augmentant les upwelling régionaux. En revanche, pendant les années La Nina, l’upwelling de gyre diminue, mais les vents alizés accélèrent et intensifient l’upwelling côtier et équatorial.
A toutes les échelles de temps, lorsque l’upwelling diminue, les nutriments et le carbone deviennent rares, les populations de diatomées diminuent. Le coccolithophore et les communautés bactériennes qui étaient des constituants relativement mineurs commencent à dominer. Les petites bactéries restent en suspension dans les couches superficielles et exportent beaucoup moins de carbone. En conséquence, les taux de respiration de la communauté augmentent, et les concentrations plus élevées de CO2 diminuent le pH de la surface.

La vie sous marine a résisté à des niveaux de CO2 plus élevé.

Depuis des millions d’années, les niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique ont énormément varié atteignant parfois des concentrations qui dépassent de loin celles qui prévalent actuellement et celles projetées au cours des 100 prochaines années.
Pendant ces périodes de forte concentration de dioxyde de carbone, les organismes marins calcaires ont continué à prospérer. S’il y a eu des périodes de d’expansion et de récession pour les coraux et autres organismes marins calcifiés, ces variations ne sont pas corrélées à la concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère.
Jim Steele note ainsi que les coccolithophores ont évolué et survécu il y a plus de 200 millions d’années, alors que le CO2 atmosphérique était au moins 2 à 3 fois plus élevé qu’aujourd’hui .
Les observations historiques et certaines études expérimentales montrent que les organismes marins calcifiés sont beaucoup mieux immunisés contre les effets de l’acidification des océans qu’on ne le suppose habituellement. Ces expériences suggèrent que plupart des organismes survivraient ou s’adapteraient à des augmentations extrêmes de l’acidification des océans.

De multiples niveaux d’incertitude

Il existe de multiples niveaux d’incertitude sur cette question dont le premier est la réponse du vivant au changement climatique. L’évolution du puits de carbone océanique tel que prédit par les modèles couplant climat et cycle du carbone restent largement incertaine, ce que le GIEC reconnaît dans son dernier rapport mentionnant outre la réponse du vivant au changement climatique d’autres séries de processus liés à la représentation des petites échelles spatiales (tourbillons), à la prise en compte des zones côtières particulièrement complexe.
Aux incertitudes liées à la compréhension des processus eux-mêmes s’ajoute le caractère lacunaire des données et le sous échantillonnage des océans : une publication de Nature indique que la détection de l’ampleur et de l’impact de l’acidification nécessiterait une connaissance précise du niveau de variabilité naturelle des concentrations d’ions de carbonate océaniques de surface sur des échelles de temps saisonnières ou annuelles et au-delà. Or Les observations sur les océans sont très limitées en ce qui concerne la fourniture d’estimations fiables du rapport signal sur bruit des tendances induites par l’homme dans la chimie du carbonate par rapport aux facteurs naturels.

En conclusion de son article Jim Steele note :

Les incertitudes sur la compréhension des processus et le sous-échantillonnage actuel des océans permettent à quiconque de trouver un soutien expérimental à sa théorie préférée… mais je n’accorderai que peu de crédit à des prévisions qui ne prendraient pas en compte les changements dans l’upwelling et les différentes réponses de la pompe biologique.

Epilogue : la 6ème extinction n’aura pas lieu

La journaliste Elizabeth Kolbert fait de l’acidification des océans un des ses principaux arguments pour étayer sa thèse de la 6ème extinction. Elle décrit l’état de la mer qui cerne L’îlot de Castello Aragonese où des cheminées volcaniques déversent du CO2 dans l’eau depuis au moins un millénaire pour faire entrevoir à ses lecteurs le désert que deviendront les fonds sous-marins en 2050 et au-delà.
Pour trouver une période similaire au présent écrit-elle, il faut remonter d’au moins 55 millions d’années, à l’événement connu sous le nom de maximum thermique du Paléocène-Eocène (PETM) pendant lequel de gigantesques quantités de carbone ont été relâchées dans l’atmosphère.
Étonnamment poursuit-elle, la plupart des organismes vivant près de la surface de la mer semblent avoir survécu sans encombre au PETM et conclut :
La vie marine est peut-être plus résistante que ce que semblent indiquer les résultats obtenus dans des lieux comme Castello Aragonese…à moins que le PETM, bien qu’extrême, n’ait pas été aussi extrême que les événements actuels.


Ce travail est la synthèse des trois articles suivants :

⦁ Acidification de l’océan : Cycles naturels et incertitudes omniprésentes (Ocean Acidification: Natural Cycles and Ubiquitous Uncertainties) Par John Steele, accessible ici
⦁ La chimie du PH de l’océan (The Chemistry of Ocean pH) par Brice Bosnich, accessible ici
⦁ L’océan pompe à carbone (par une équipe de scientifiques français), accessible ici


 

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