Cycle du carbone océanique et pompage physique du gaz carbonique

Depuis le début de l’ère industrielle, la pression partielle de l’atmosphère en gaz carbonique a augmenté de plus de 100 parties par million (pCO₂ de 280 ppm au XVIII^e siècle contre 400 ppm aujourd’hui). Les mesures précises de CO₂ depuis la fin des années 50 montrent que l’augmentation est un peu plus forte dans l’hémisphère nord que dans l’hémisphère sud. Le gradient inter-hémisphérique de CO₂ augmente linéairement avec les émissions liées à la combustion de carbones fossiles. Cependant, la comparaison des émissions anthropiques et du stock moyen de l’atmosphère illustre clairement que la moitié du CO₂ émis n’est plus dans l’atmosphère. Les molécules de gaz carbonique diffusent en permanence vers les autres réservoirs du cycle du carbone. Quatre techniques indépendantes montrent que l’océan absorbe actuellement de 25 à 30 % des émissions de carbone fossile. Depuis le début de l’ère industrielle, l’absorption océanique cumulée est d’environ 45 % et s’est accompagnée d’une baisse d’environ 0,1 unité pH des eaux de surface.

Le carbone 14 (¹⁴C) sert de traceur pour suivre la vitesse des échanges entre les réservoirs du cycle du carbone mondial. Les rayons cosmiques produisent naturellement du ¹⁴C dans l’atmosphère qui se désintègre lentement par radioactivité. Une deuxième source de ¹⁴C est venue perturber l’état d’équilibre naturel. En effet, environ une tonne de ¹⁴C artificiel a été créée par les essais nucléaires atmosphériques au début des années 60. L’injection était concentrée principalement dans la stratosphère de l’hémisphère nord, mais après une dizaine d’années, l’atmosphère est devenue pratiquement homogène. La teneur atmosphérique en ¹⁴C a ensuite décru principalement par diffusion du CO₂ vers l’océan. Par rapport à l’équilibre préanthropique, l’excès atmosphérique en ¹⁴C était d’environ 600 ‰ dans les années 70 et n’est plus que de 100 ‰ aujourd’hui. La contamination globale des eaux de surface a été mesurée directement dans les bicarbonates dissous ainsi que dans les cernes annuels des coraux massifs qui présentent des excès en ¹⁴C de 250 à 100 ‰ pour des dates allant du début des années 70 aux années 90. L’intensité et la date du maximum de concentration en ¹⁴C dépendent de la zone géographique concernée, notamment des conditions locales du mélange vertical des masses d’eau.

Pour comprendre et quantifier la pénétration du CO₂ anthropique dans l’océan, il est important de considérer les réactions chimiques du système des carbonates. Le CO₂atmosphérique se dissout dans l’océan. Son hydratation conduit à la formation d’acide carbonique H₂CO₃ présentant deux dissociations acides avec deux pK de l’ordre de 6 et 9. La neutralisation d’une molécule de CO₂ déplace les équilibres acido-basiques, avec comme bilan la transformation d’un ion carbonate CO₃^2–en ion bicarbonate HCO₃^– (ou hydrogénocarbonate) accompagnée d’une diminution du pH relativement limitée.

Grâce aux systèmes des acides carbonique et borique, l’eau de mer se comporte donc comme une solution tampon gardant le même pH après addition de petites quantités d’acide ou de base, ou malgré une dilution. En conséquence, les impacts relatifs sont différents sur le CO₂ dissous (pCO₂ ou plus exactement sa fugacité exprimée en µatm) et sur le total des espèces du système des carbonates (TCO₂= CO₂+ HCO₃^–+ CO₃^2– en mol/L). Cette différence est bien illustrée par le calcul du facteur introduit par Roger Revelle et Hans Suess en 1957, exprimant la puissance du tampon acido-basique.

En moyenne, le facteur de Revelle vaut 10 à la surface des océans, c’est-à-dire que si la pCO₂ croît de 10 %, la teneur totale TCO₂ n’augmentera en parallèle que de 1 %. Ce facteur illustre bien le rôle de frein du tampon acido-basique à la propagation dans l’océan de l’excès de CO₂ atmosphérique. Des modèles numériques représentant le cycle du carbone par des boîtes permettent de simuler correctement les évolutions conjointes des teneurs en CO₂ et en ¹⁴C de l’atmosphère et de l’océan au cours du dernier siècle. Ne pas tenir compte du facteur tampon dans la simulation conduit à une séquestration massive du CO₂ dans l’océan et à une réduction excessive de plus d’un facteur 2 de l’anomalie atmosphérique en contradiction avec les mesures directes.

En plus de la neutralisation de l’acide carbonique par le système acido-basique des carbonates dissous, l’excès de CO₂ atmosphérique peut, en principe, diminuer grâce à d’autres réactions biogéochimiques complémentaires : une formation accrue de matière organique, la dissolution des carbonates solides sédimentaires ou l’altération chimique des roches silicatées. Cette dernière réaction n’intervient que sur des échelles de temps très longues. Les modèles numériques tenant compte de toutes ces réactions montrent qu’une perturbation instantanée et importante du stock atmosphérique (par exemple 100 GtC) disparaît progressivement dans l’océan : pour un tiers après un siècle, et pratiquement deux tiers après mille ans.