Rétroactions de la dynamique de l'océan sur la séquestration du carbone

Après dissolution dans les masses d’eau de surface, le CO₂ d’origine anthropique est ensuite transporté en profondeur par les courants intermédiaires et profonds. La cartographie de la propagation du CO₂ anthropique montre une pénétration maximale jusqu’à environ 1,5 km au niveau des zones de plongée des eaux intermédiaires. La contamination de l’océan Atlantique nord va même jusqu’à 3 km, ce qui est dû à la plongée des eaux profondes nord-atlantique (NADW), composante importante de la circulation à l’échelle mondiale dite « thermohaline » (ou circulation méridienne de renversement, meridional overturning circulation ou MOC). Cette contamination des profondeurs de l’Atlantique nord est bien illustrée par les teneurs élevées en traceurs anthropiques transitoires comme le carbone 14 et le tritium d’origine thermonucléaire ou les chlorofluorocarbures industriels.

Le réchauffement et la diminution de salinité des eaux de surface se conjuguent pour diminuer la densité de celles-ci, ce qui conduit à une diminution de la convection profonde. Les modèles numériques de circulation générale avec couplage océan-atmosphère montrent généralement une lente diminution de l’intensité de la MOC pendant le prochain siècle en réponse au réchauffement global (baisse d’environ 30 % pour un scénario moyen conduisant à une pCO₂ de 540 ppm en 2100).

Depuis une dizaine d’année, le flux moyen de la MOC est mesuré directement par différents capteurs le long d’une section instrumentée à 26° N en Atlantique, entre la Floride et le Maroc. Les différentes composantes du transport à 26° N montrent une variabilité temporelle de haute fréquence, et saisonnière depuis 2004 (programme RAPID/MOCHA). Une analyse statistique des séries de données suggère une diminution à long terme d’environ 15 % sur cette décennie. Néanmoins, d’autres sections instrumentées à 41° N et à 16° N indiquent que cette tendance est encore difficile à détecter au milieu des fluctuations interannuelles. Par ailleurs, une éventuelle diminution de 15 % sur 10 ans est cinq fois supérieure à celle attendue par les simulations numériques de la MOC perturbée par le réchauffement mondial dû au CO₂ anthropique.

L’évolution récente de la MOC pourrait aussi être liée à des cycles naturels liés à des oscillations climatiques de l’hémisphère nord (notamment l’oscillation nord-atlantique NAO ou l’oscillation atlantique multidécennale AMO). Une compilation récente des mesures du transport des masses d’eau et du TCO₂ anthropique indique une diminution d’environ 30 %, en correspondance avec un renversement de l’oscillation NAO entre 1997 et 2006.

Une autre rétroaction du changement climatique concerne la zone arctique, caractérisée par une extension importante de la banquise qui limite les échanges de CO₂ avec l’atmosphère. Les mesures de chimie marine montrent que les eaux de surface de l’océan Arctique sont généralement très sous-saturées en CO₂ par rapport à l’atmosphère actuelle. Par ailleurs, l’extension de la banquise présente un cycle saisonnier important avec pratiquement un triplement de sa surface entre l’été et l’hiver.

La formation de la banquise a des conséquences sur l’hydrologie de surface. Le rejet du sel lors de la congélation de l’eau de mer conduit à la formation de saumures froides qui plongent en profondeur. De plus, la fonte saisonnière de la banquise diminue la salinité des eaux de surface. La distribution de la température et de la salinité génère une « halo-thermocline » avec un gradient de densité important qui stratifie fortement la colonne d’eau de l’océan Arctique. Cette stratification constitue une deuxième barrière à l’advection du CO₂ vers les profondeurs de l’océan Arctique.

Les images des satellites depuis la fin des années 70, complétées par des observations de terrain depuis les années 50, font apparaître un retrait de la couverture de la banquise présente à la fin de l’été. Cette glace pérenne montre une diminution de sa surface d’un facteur 2 environ depuis le début les années 70. Ce retrait s’est aussi accompagné d’un amincissement de la banquise d’un facteur 2 sur la même période. Ces évolutions récentes sont liées au réchauffement global et contribuent à son amplification dans la zone polaire arctique (diminution de l’albédo et absorption supplémentaire par l’océan du rayonnement solaire).

La disparition de la banquise estivale est accompagnée d’une augmentation du flux de CO₂ de l’atmosphère vers l’océan. Il s’agit donc d’une rétroaction négative du cycle du carbone en réponse à la perturbation climatique liée au forçage radiatif du CO₂ atmosphérique. Plusieurs campagnes océanographiques ont permis de mesurer les flux de CO₂ à l’interface air-mer dans les zones déglacées du bassin du Canada, de la mer de Beaufort et de la mer de Tchouktches. L’extrapolation des premières données avait conduit à l’estimation d’une augmentation significative du puits de CO₂ en Arctique (triplement en 30 ans ?). Les études postérieures ont confirmé que la couche mélangée de surface se charge rapidement en CO₂, suite à la fonte de la banquise, mais les eaux de surface restent stratifiées par l’effet de l’halothermocline, ce qui limite la séquestration du TCO₂. L’océan Arctique ne serait donc pas devenu un puits supplémentaire pour le CO₂ d’origine anthropique.