L'océan et les changements climatiques : relations avec la chimie et la biologie marines (5)

L’invasion du CO₂ anthropique induit une acidification des masses d’eaux de surface qui constitue une cinquième preuve quantitative de sa séquestration océanique. Le CO₂ atmosphérique se dissout dans l’océan pour former du CO₂ aqueux dont l’hydratation conduit à la formation d’acide carbonique. Ce diacide faible présente deux dissociations produisant des ions hydronium (H₃O⁺), ainsi que des ions bicarbonates (HCO₃⁻≈ 89 %) et des carbonates (CO₃²⁻≈ 11 %).

L’eau de mer est une solution tampon dont les variations de pH sont limitées : en surface sa valeur varie de 8 à 8,3 (voire 8,5 dans les cas de forte photosynthèse duphytoplancton), alors qu’en profondeur le pH diminue jusqu’à 7,4 entre 1 000 et 2 000 m de profondeur où les bactéries reminéralisent la matière organique. En surface, les organismes du plancton modifient aussi le pH à cause de la synthèse de la matière organique qui consomme des ions H₃O⁺, et de la précipitation du carbonate de calcium qui en produit en déplaçant les équilibres acido-basiques. Cette synthèse biologique induit donc un pompage du CO₂ de l’atmosphère vers l’océan (la pompe organique) et un effet de relargage de CO₂ de l’océan vers l’atmosphère (la « contre-pompe » du calcaire, c’est-à-dire de carbonate solide).

Des milliers de mesures de TCO₂ et de l’alcalinité des eaux de surface ont permis de cartographier les gradients géographiques du pH, avec des minima dans la zone équatoriale, et des maxima aux hautes latitudes et dans les zones côtières très productives. Depuis les années 90, des mesures directes du pH, avec une résolution saisonnière, sont disponibles pour les stations d’Hawaii, des Bermudes et des Canaries. Les trois séries temporelles montrent une diminution progressive similaire, équivalente à environ 0,02 unité pH par décennie. Grâce aux estimations de l’invasion du CO₂ anthropique décrites précédemment, il est possible d’estimer que le pH moyen a diminué d’environ 0,1 unité depuis le début de l’ère industrielle, ce qui s’accorde avec l’extrapolation de la baisse actuelle du pH.

Des analyses directes du pH de l’eau de mer sont aussi réalisées dans les couches profondes de l’océan. La comparaison des mesures obtenues lors de campagnes océanographiques successives permet d’évaluer l’évolution transitoire du pH. Néanmoins, ces mesures doivent être corrigées des changements de l’advection des masses d’eau et de la reminéralisation organique afin de pouvoir en déduire l’anomalie liée à la propagation du CO₂ d’origine anthropique. L’exemple du Pacifique nord montre une acidification sur 15 ans détectable jusqu’à 500 m de profondeur.

L’évolution du pH affecte les conditions de précipitation du calcaire dans l’océan réalisé principalement par des organismes biologiques libres (par ex. coccolithophoridés, foraminifères, ptéropodes…), ou fixés (comme les coraux et de nombreux mollusques). Par ailleurs, le carbonate de calcium est synthétisé essentiellement sous deux formes allotropiques, calcite et aragonite, dont les produits de solubilité sont différents. Le calcaire est plus soluble à basse température et à haute pression, l’aragonite étant plus soluble que la calcite pour les mêmes conditions. En surface, le degré de saturation est supérieur à l’unité, mais avec des gradients géographiques importants : forte sursaturation intertropicale et faibles valeurs aux hautes latitudes et dans les zones de remontée d’eaux profondes (upwelling). En profondeur, la sous-saturation est atteinte à cause de l’effet de pression, mais des gradients géographiques importants sont liés aux différences de pH générées par reminéralisation de la matière organique. La profondeur de saturation dans le Pacifique est donc beaucoup plus faible que dans l’Atlantique nord (< 1 km et > 4 km respectivement).

L’acidification par dissolution du CO₂ anthropique entraîne une diminution des concentrations en ions carbonates ce qui abaisse le degré de saturation de la calcite et de l’aragonite (environ 4 % sur 10 ans à Hawaii). La zone intertropicale étant naturellement très sursaturée, cette anomalie a encore peu d’impact géochimique. Néanmoins, certaines zones à plus hautes latitudes sont plus proches de la saturation et le CO₂ anthropique a effectivement atteint la profondeur de saturation de l’aragonite dans le Pacifique nord et l’océan Austral, ainsi que pour la calcite dans le Pacifique Nord. Dans ces régions, l’excès de CO₂ contribue donc à faire remonterla limite de saturation vers la surface. Ce phénomène est aujourd’hui détectable en surface des zones d’upwelling au large des côtes nord-américaines de la Colombie-Britannique jusqu’à la péninsule de Californie.

Certaines régions côtières sont même devenues sous-saturées vis-à-vis de la précipitation d’aragonite. Ces changements récents, imputables à l’acidification par le CO₂ anthropique, commencent à avoir des répercussions sur les organismes marins calcificateurs. On peut citer le cas de l’impact sur la production de larves d’huîtres (naissain) dans les écloseries (couvoirs) ostréicoles de l’état de l’Oregon.

Des études expérimentales sont réalisées pour étudier l’influence de l’acidification sur des organismes marins comme les ptéropodes, les algues coccolithophoridés et les coraux (incubations, mésocosmes). Ces expériences d’acidification plus élevée que l’actuelle permettent d’étudier les réponses des différentes espèces et des écosystèmes miniatures (par ex. Biosphere-2 en Arizona).

L’acidification de l’Océan est directement liée à son rôle de puits de carbone qui « éponge » environ un tiers des émissions de carbone fossile. Cependant, le rôle futur de l’Océan n’est pas une simple extrapolation des tendances actuelles. En effet, plusieurs phénomènes physico-chimiques et biologiques affectent la capacité de l’océan à absorber l’excès de CO₂. Il faut donc évaluer les changements actuels et futurs des trois principales pompes à CO₂: la pompe physico-chimique qui subit le réchauffement et la stratification des masses d’eau, la pompe organique, avec des changements de la productivité primaire et de la reminéralisation bactérienne, et, enfin, la contre-pompe du calcaire affectée par les changements de productivité biologique. Les projections à plus long terme doivent aussi faire intervenir les réactions géochimiques avec les roches et sédiments.