Quels rôles jouent l’océan et les surfaces terrestres dans l’augmentation du dioxyde de carbone dans l’atmosphère depuis 150 ans ?
Certaines régions représentent des « puits » et d’autres des « sources » de dioxyde de carbone mais, en termes de bilan, le milieu océanique et le milieu terrestre constituent des puits à CO2. S’ils peuvent être rehaussés ou affaiblis avec les teneurs croissantes en CO2 de l’atmosphère, les mécanismes en jeu sont en place pour fort longtemps.
Teneur préindustrielle en CO2 de l’eau de mer, sur une coupe, dans l’océan Atlantique
Source : Guy Jacques
Les isolignes noires joignent les points d’égale concentration en CO2 (en µmol . kg–1) dans la masse d’eau (en bleu). Le relief du fond marin est représenté en orange.
L’océan Atlantique couvre le quart de la superficie océanique. Il assure 41 % de la prise océanique de CO2 grâce aux plongées d’eau dans sa partie septentrionale (mers de Norvège, du Groenland et du Labrador). À l’inverse, le Pacifique, qui représente la moitié de l’océan mondial, absorbe seulement 18 % du CO2 atmosphérique. Depuis la révolution industrielle, les concentrations en CO2 des eaux de surface des océans ont relativement peu augmenté en comparaison des teneurs atmosphériques en CO2, parce que l’océan a la capacité de contenir une énorme quantité de CO2. Prenons un exemple dans le Pacifique : entre 1990 et 2000, la teneur atmosphérique en CO2 à Hawaï (observatoire de Manau Loa) est passée de 349 à 370 parties par million (ppm) alors que la concentration dans les eaux de surface de cette même région s’élevait seulement de 2032 à 2050 µmol . kg–1.
Quels sont les mécanismes en jeu ? Pour le milieu terrestre, l’essentiel de la capture du CO2 se fait grâce à la photosynthèse des arbres : c’est la seule voie assurant un stockage à moyen et à long termes (à condition de ne pas brûler rapidement les arbres !). Dans le milieu marin, une fois pénétré dans l’eau superficielle, le CO2 peut être stocké de deux manières :
- par la plongée en profondeur des eaux de surface (on parle de « pompe physique » ou thermodynamique) qui soustrait le CO2 pour des centaines d’années à un retour vers l’atmosphère ;
- par la croissance du phytoplancton (dite « pompe biologique ») qui emmagasine du carbone inorganique sous forme de matière vivante (on parle, de manière inélégante, de « pompe molle ») ou sous forme de coquilles (« pompe dure »). À leur mort, quelques pourcents de ce phytoplancton gagnent les eaux profondes ou le fond des océans et ils soustraient ainsi une partie du CO2 de tout nouvel échange avec l’atmosphère.
Ceratium limulus, dinoflagellé planctonique à thèque cellulosique
Source : Guy Jacques
Dans le phytoplancton, il faut distinguer les espèces de « grande » taille (10 à 200 µm), dotées de carapaces sensu lato (comme ce dinoflagellé), de celles de petite taille (< 10 µm, parfois même < 1 µm) au corps nu. À leur mort, les premières espèces sédimentent rapidement vers les eaux profondes et contribuent ainsi au rôle de puits de l’océan. Au contraire, les espèces de petite taille voient leur matière organique minéralisée sur place : le CO2 libéré dans les eaux superficielles peut à nouveau retourner vers l’atmosphère.
Depuis le début de la révolution industrielle, l’injection de carbone fossile dans l’atmosphère atteint 300 pétagrammes
Pour information : 1 Pg = 1015 grammes = 1 Gt (gigatonne) = 1 Tkg (térakilogramme). Le kilogramme étant l’unité de base du système international, on devrait préférer le Tkg. Mais, dans la littérature scientifique, on trouve essentiellement les deux autres notations : Gt et Pg.
de carbone (PgC). La concentration en CO2 dans l’atmosphère est passée de 280 parties par million (ppm) en 1850 à 394 ppm en 2012. Vingt années de modélisation montrent que « seulement » 45 % des émissions de CO2 liées aux activités humaines demeurent dans l’atmosphère. L’océan et la végétation terrestre absorbent donc les 55 % restants. De la période préindustrielle à nos jours, l’océan a accumulé entre 120 et 165 PgC des 300 PgC que représentent les émissions anthropiques sur cette même période.À l’heure actuelle, la photosynthèse des végétaux terrestres s’élève en même temps que la teneur en CO2 de l’atmosphère (facteur limitant), alors que l’absorption par les océans ralentit. Depuis le début des années 2000, les continents de l’hémisphère nord constituent un puits majeur avec une absorption de 1,7 ± 0,9 PgC par an. Mais il est probable que les besoins en eau des végétaux croissent si le réchauffement se poursuit, d’où un stress hydrique défavorable à la photosynthèse.
Evolution annuelle du CO2 depuis 1960
Source : Guy Jacques, d’après Le Quéré C. et al., 2009 : Trends in the sources and sinks of carbon dioxide. Nature Geoscience, 2, 831-836.
Rouge : émissions anthropiques de CO2 (combustibles fossiles et déforestation) ; violet : taux d’accroissement de CO2 atmosphérique ; bleu et vert : flux de CO2 absorbés par le puits océanique et par le puits continental.
L’élévation régulière des émissions de CO2 liées aux activités humaines entraîne une augmentation de la teneur en CO2 de l’atmosphère d’environ 1,7 ppm par an actuellement. Environ 55 % de ce CO2 atmosphérique sont absorbés par l’océan et par les continents. Néanmoins, la partie basse de ce graphique montre que la capacité de ces puits stagne ou diminue légèrement.
En milieu marin, il faut renoncer à séparer « pompe physique » et « pompe biologique » et parler d’un puits océanique global. L’exemple des aires de remontée d’eau profonde suffit à illustrer cette intrication. Quand une eau profonde remonte en surface, elle libère du CO2 vers l’atmosphère (océan = source « physique ») car les eaux profondes sont plus riches en carbone inorganique dissous que les eaux superficielles. Également riches en phosphates et en nitrates, ces eaux de remontée fertilisent la couche superficielle de l’océan et entraînent une floraison planctonique. Cet accroissement de la photosynthèse diminue la teneur en CO2 de l’eau de surface, qui est compensée par une pénétration de CO2 atmosphérique (océan = puits « biologique »).
Dans les eaux de surface, la photosynthèse marine n’est pas limitée par la concentration en CO2, toujours excédentaire. L’élévation de la teneur en CO2 dans l’atmosphère, et donc dans l’eau superficielle, est et restera sans effet sur la « pompe biologique ». Par conséquent, l’essentiel du puits océanique tiendra à la « pompe physique ». Des mesures récentes dans l’océan Antarctique mettent en lumière un accroissement de la vitesse des vents, donc de la turbulence verticale de l’océan, ce qui accentue la remontée de CO2 en surface et son évasion vers l’atmosphère. En prenant comme référence les mesures à la station d’observation continue Aloha (proche de Mauna Loa à Hawaï), on constate que la teneur moyenne en CO2 des eaux océaniques superficielles a augmenté, ces dix dernières années, de 2,1 ppm par an alors que celle de l’air croissait seulement de 1,7 ppm. L’océan a donc bien continué à séquestrer du CO2 atmosphérique et il a évité une augmentation catastrophique de l’effet de serre. Mais pour combien de temps encore ?
Notes
- 1. Pour information : 1 Pg = 1015 grammes = 1 Gt (gigatonne) = 1 Tkg (térakilogramme). Le kilogramme étant l’unité de base du système international, on devrait préférer le Tkg. Mais, dans la littérature scientifique, on trouve essentiellement les deux autres notations : Gt et Pg.
Glossaire
- Puits
Milieu, écosystème ou processus qui capture des gaz à effet de serre (dioxyde de carbone par exemple) dans l’atmosphère, soit en les détruisant par des procédés chimiques, soit en les stockant. Un exemple : la photosynthèse. - Source
Milieu, écosystème ou processus qui libère des gaz à effet de serre (dioxyde de carbone par exemple) dans l’atmosphère. Un exemple : la respiration. - Pompe physique
Absorption par les eaux de surface de la chaleur et des gaz atmosphériques qui sont ensuite entraînés en profondeur, dans les zones de plongée comme la mer du Labrador et la mer de Norvège, en période hivernale. - Phytoplancton
Plancton végétal formé d’organismes microscopiques photosynthétiques dont la taille est comprise entre 1 µm et 1 mm.
[Source : Club des Argonautes] - Pompe biologique
Absorption par le phytoplancton superficiel de CO2 dissous qui est transformé, par photosynthèse, en molécules organiques. La baisse de pression partielle de CO2 dans l’eau provoque à son tour un transfert de ce gaz de l’atmosphère vers l’océan. Il y a donc un découplage des deux phénomènes, la « pompe biologique » dépendant de la « pompe physique ». - Photosynthèse
Processus au cours duquel les végétaux convertissent l’énergie lumineuse en énergie chimique. Ils utilisent l’énergie solaire, le CO2 et l’eau pour élaborer, dans leurs tissus, les matières organiques nécessaires à leur métabolisme et à leur croissance.
[Source : Club des Argonautes] - Facteur limitant
Caractéristique physique ou chimique d’un milieu la plus éloignée de son optimum pour un mécanisme déterminé. Ce sont donc les variations de ce seul facteur qui conditionnent la vitesse ou l’amplitude du phénomène. Dans le cas des végétaux terrrestres, la teneur atmosphérique en CO2 est l’un des facteurs limitants de la photosynthèse. Cette dernière augmente avec la teneur en CO2 jusqu’à un certain seuil à partir duquel intervient un autre facteur limitant (la température ou l’apport en eau, par exemple). - Floraison planctonique
Développement massif et rapide d’algues unicellulaires. De taille microscopique, le phytoplancton se développe très rapidement dans des conditions favorables. Capable de doubler sa biomasse chaque jour, il peut atteindre des concentrations de plusieurs millions de cellules par litre d’eau de mer, formant des eaux colorées. Comme le phytoplancton ne comporte pas de « plantes à fleurs », les puristes préfèrent le terme de « prolifération » à celui de « floraison ».