Rétroactions physiques sur le pompage océanique de l'excès de CO2 atmosphérique

La complexité du phénomène vient du fait que plusieurs réponses du système climatique et biogéochimique influencent la séquestration du carbone dans l’océan. Une première rétroaction climatique est celle liée à l’effet de la température sur la solubilité du CO₂ et les équilibres acido-basiques.

À la suite de l’atmosphère, l’océan se réchauffe depuis sa surface comme le montrent les données océanographiques in situ depuis la fin du XIX^e siècle et plus récemment les observations dans l’infrarouge des satellites ainsi que les mesures retransmises par les milliers de flotteurs Argo qui échantillonnent de façon automatique les premiers kilomètres de la colonne d’eau. Depuis le début du XX^e siècle la température moyenne des eaux de surface a ainsi augmenté d’environ 1 °C. À l’échelle du siècle, pratiquement toutes les régions de l’océan se sont réchauffées.

Le coefficient de solubilité du CO₂ dans l’eau est une fonction décroissante de sa température. De plus, les deux constantes de dissociation acido-basique sont des fonctions croissantes de la température. La combinaison de ces effets conduit à une diminution du pompage océanique de l’excès de CO₂ atmosphérique en réponse au réchauffement. Pour une pCO₂ atmosphérique de 300 ppm, le réchauffement de 1 °C d’une eau de mer de surface à 20 °C conduit à un nouvel équilibre de la pCO₂ à 313 ppm entre l’atmosphère et l’océan. Le réchauffement engendre donc un dégazage apparent d’environ 13 ppm. Dans une moindre mesure, une augmentation de la salinité conduit aussi à une élévation du CO₂ dissous et donc à un dégazage pour retrouver l’équilibre à l’interface atmosphère-océan.

En plus de l’influence des paramètres physiques, il faut tenir compte de l’effet de saturation du tampon acido-basique dont l’effet décroît avec la diffusion du CO₂. Ceci est illustré par le fait que le facteur de Revelle augmente linéairement avec la pCO₂ atmosphérique. Depuis le début de l’ère industrielle, ce facteur a augmenté d’environ une unité en réponse à l’augmentation de plus de 100 ppm de l’atmosphère. La prise en compte globale des effets physico-chimiques depuis 1950 montre que la séquestration du CO₂ dans l’océan a été plus faible d’environ 5 % par rapport à ce qu’elle aurait été sans ces rétroactions.

Les rétroactions de l’océan ne se limitent pas aux effets des équilibres physico-chimiques. On doit prendre en compte une rétroaction supplémentaire faisant intervenir les changements des vents et de la circulation océanique de surface. En effet, même si l’excès de CO₂ atmosphérique impose un flux moyen de l’atmosphère vers l’océan, les flux nets à l’interface air-mer sont très variables en fonction des zones géographiques. Localement, le flux net est une fonction linéaire du gradient air-mer de pCO₂, de la solubilité du CO₂ dans l’eau de mer (qui dépend de la température), et enfin d’un coefficient de vitesse de transfert du CO₂. Ce coefficient dépend de l’état de la mer, ce qui se traduit par une fonction quadratique en fonction de la vitesse du vent à la surface de l’océan.

Depuis 40 ans, la collecte de plus de 3 millions de mesures du gradient air-mer de pCO₂ a permis de cartographier les zones puits et les zones sources de CO₂ de l’océan de surface et de quantifier le flux annuel moyen net de CO₂ de l’atmosphère vers l’océan. Des études récentes ont abordé l’évolution temporelle et spatiale du gradient de pression, et donc du flux de CO₂ vers l’océan. En l’absence de rétroaction, on s’attend à une simple augmentation du flux liée à l’accélération de l’augmentation de la teneur atmosphérique. Les données sur trois décennies montrent effectivement que le flux a augmenté dans de nombreuses zones. Néanmoins, il semble que certaines régions du Pacifique tropical ouest, de l’océan Austral et de l’Atlantique nord, présentent une diminution du gradient de pCO₂ conduisant à une diminution du flux de CO₂ vers l’océan.

En parallèle à ces mesures, des modèles numériques représentant en 3D le couple océan-atmosphère sont utilisés pour simuler et tenter de comprendre ces rétroactions complexes. Lorsque le modèle ne tient compte que de l’augmentation du CO₂ atmosphérique, le flux de CO₂ augmente pratiquement partout à la surface de l’océan. Par contre, si le modèle numérique est forcé de simuler la variabilité climatique des dernières décennies (températures et vents), la simulation du gradient de pression montre d’importants contrastes géographiques, avec des zones où le flux de CO₂ diminue. Certaines de ces zones correspondent aux observations déjà mentionnées (Pacifique tropical ouest, océan Austral), mais il n’y a pas d’accord pour toutes les régions de l’Océan mondial.

Avec ce type d’approche, plusieurs auteurs ont quantifié l’augmentation du puits océanique depuis 50 ans. L’accélération de l’augmentation de la pCO₂ atmosphérique serait responsable d’une forte augmentation (environ 2 GtC/an) du puits océanique sur cette période de temps. Par contre, le réchauffement des eaux et l’évolution des vents de surface auraient engendré collectivement une diminution du puits océanique. Le cumul de ces effets indique que le puits océanique de CO₂ a continué d’augmenter depuis 50 ans, mais de façon moindre que sans les rétroactions climatiques (environ 10-15 % sur l’inventaire de CO₂ sur 30 ans).