Carbone

Le CO2 entre ciel et mer

Les océans sont de véritables puits à carbone. Sans eux, le réchauffement climatique se serait fait sentir de manière bien plus forte qu'aujourd'hui, et cela depuis près de deux siècles. Pourtant, au rythme actuel des émissions anthropiques de CO2, ce gigantesque puits semble arriver à saturation. Pour comprendre ce phénomène, le programme de recherche européen CarboOcean s’est lancé sur les eaux planétaires, à la recherche d’indices permettant une évaluation du potentiel d'absorption de CO2 des océans, et des conséquences d'une éventuelle saturation.

Microalgue siliceuse (diatomée) typique du  plateau océanique de Kerguelen, dans l'océan austral, étudié par les chercheurs  de Keops.<br />©Leanne Armandi Microalgue siliceuse (diatomée) typique du plateau océanique de Kerguelen, dans l'océan austral, étudié par les chercheurs de Keops.
©Leanne Armandi
Cette expédition, initiée par les chercheurs  de CarboOcean, a permis à des élèves norvégiens de participer à une croisière  sur le bateau scientifique Hans Brattstrøm, équipé d'un filet à plancton et de  senseurs hydrographiques. ©Andrea Volbers Cette expédition, initiée par les chercheurs de CarboOcean, a permis à des élèves norvégiens de participer à une croisière sur le bateau scientifique Hans Brattstrøm, équipé d'un filet à plancton et de senseurs hydrographiques.
©Andrea Volbers

Entre l'air et l'eau, le CO2 ne fait pas beaucoup de différence. Il migre facilement de l'un à l'autre, cherchant à occuper ces deux milieux de la manière la plus uniforme possible. Quand la teneur atmosphérique en carbone augmente, ce qui est le cas depuis des décennies, l'océan absorbe le surplus et rétablit l'équilibre. Toutefois, si le CO2 se comporte de manière relativement stable dans l'air, en mer ses interactions sont multiples et se résument à deux grands mécanismes: la pompe physique et la pompe biologique.

Péripéties du carbone océanique

La pompe physique fonctionne grâce à la circulation thermohaline des océans, ce gigantesque échangeur de chaleur de la planète. Aux pôles, l'eau de mer se refroidit considérablement, sa salinité augmente alors en formant la banquise car le sel n’entre pas dans la formation des glaces. Plus froide et plus salée, l’eau est de ce fait plus dense et s'enfonce dans les profondeurs océaniques. Elle entame alors un long périple vers les zones intertropicales où elle se réchauffe, et, perdant ainsi de sa densité, remonte vers la surface avant de repartir vers les pôles. Un circuit de quelque 80 000 km, qu'une molécule d'eau parcourt en un millénaire, à raison de quelques millimètres par seconde. C'est ce "tapis roulant" océanique qui aspire comme une pompe une partie du gaz carbonique de notre atmosphère. En effet, d'autant plus soluble dans l'eau que celle-ci est froide, le CO2 est capturé en grandes quantités par les eaux des pôles, pour être ensuite entraîné vers les profondeurs. Plusieurs siècles plus tard, lorsque les eaux arrivent dans les zones intertropicales, elles se réchauffent et deviennent sursaturées en CO2, qui retourne alors à l’atmosphère.
Néanmoins, une partie du carbone dissous dans l'eau n'a pas le temps de rejoindre ce circuit, et est directement consommée par le phytoplancton lors de la photosynthèse puis, par le jeu de la chaîne alimentaire, par les autres organismes marins. C'est le principe de la pompe biologique. La matière organique issue de ces organismes marins – déchets, cadavres – est recyclée dans les eaux de surface, et, dans un laps de temps variant entre quelques jours et quelques mois, le CO2 qu'elle contenait retourne à l'atmosphère. Toutefois, environ un dixième de cette masse organique est, comme le disent les spécialistes, exportée vers les eaux plus profondes. Où le carbone séjournera pour un siècle, un millénaire, voire même pour des temps géologiques s'il est déposé sur le fond sous forme de sédiments marins.

En panne, la pompe physique?

Ces deux mécanismes, la pompe physique surtout, et la pompe biologique dans une moindre mesure, ont pour effet de stocker, au moins temporairement, une grande partie du CO2 anthropique rejeté dans l'atmosphère. Mais dans quelle proportion? Et jusqu'à quand? Et si le puits océanique venait à être saturé, quelles en seraient les conséquences?
Autant de questions auxquelles le vaste programme de recherche européen CarboOcean tente de répondre depuis le 1er janvier 2005. «Nous voulons mieux quantifier les masses de CO2 que les océans ont absorbées depuis le début de l'ère industrielle (il y a 200 ans), absorbent aujourd'hui et absorberont encore demain, jusqu'à environ l'an 2200», explique Christoph Heinze, coordinateur du projet CarboOcean. Inclus dans le sixième programme cadre, et doté par la Commission européenne de 14,5 millions €, pour un budget global de près de 20 millions €, les recherches de CarboOcean portent essentiellement sur l'océan Atlantique, incluant l'Arctique, et l'océan Austral. «D'après les premiers résultats de nos analyses», poursuit Christoph Heinze, «il semblerait que la pompe physique dans l'Atlantique nord, qui exporte le CO2 vers les profondeurs, ne fonctionnerait plus aussi bien que précédemment. Différentes hypothèses peuvent être avancées pour expliquer cela, mais nous attendons encore d'autres informations pour tirer des conclusions sur les causes et les effets de ce ralentissement. Récemment, nous avons constaté le même phénomène dans l'océan Austral.»

Doper la pompe biologique?

Depuis de nombreuses années, les chercheurs ont remarqué que, en certains endroits de la planète – océan Austral, Pacifique est-équatorial, Pacifique nord –, la pompe biologique fonctionnait, elle aussi, au ralenti, du fait d'une carence en phytoplancton. Pour certains, il suffirait de la relancer pour absorber plus de CO2 atmosphérique.
Mais pourquoi cette carence? Parce que le phytoplancton manque de fer. Des expériences menées depuis 1993 montrent en effet que le fer est un nutriment essentiel pour la croissance des microalgues. Incontestablement, l'ajout de petites quantités de fer dans l'océan, permet au phytoplancton de reprendre de la vigueur, ce qui augmente le taux de CO2 capté par photosynthèse. Mais pour Stéphane Blain, directeur de l'expédition Keops (Kerguelen Ocean and Plateau compared Study), «ces expériences ont laissé des doutes. Car s'il est évident que, suite à cette fertilisation, l'activité biologique en surface s'intensifie – par exemple la photosynthèse – la question de savoir quelle proportion de CO2 absorbé rejoint les profondeurs reste posée. Or c'est ce transfert vers les profondeurs qui est le signe d'une réelle mise en route de la pompe biologique.»
Des sociétés commerciales telles que Planktos n'hésitent pas à aller de l'avant malgré cette incertitude. Elles fonctionnent selon un principe assez simple, qui est de vendre des crédits de CO2 aux entreprises ou aux collectivités polluantes afin que leur bilan soit neutre en matière d’émissions de CO2. Planktos se charge alors de compenser les émissions de ses clients en investissant, par exemple, dans des projets de reforestation sur les continents. Mais elle entend aussi proposer, bientôt, la fertilisation des zones phytoplanctoniques. Toutefois, rien ne dit que l'opération soit rentable, et que le CO2 soit effectivement exporté à long terme dans les profondeurs océaniques. Les premières expérimentations laissent en tous les cas les scientifiques très sceptiques, sans même compter d'éventuels effets indésirables.
Pour éclaircir cette question délicate, l'expédition Keops a mené des observations, début 2005, dans la zone du plateau océanique de Kerguelen en océan Austral. Un endroit spécialement sélectionné pour son boom planctonique saisonnier, «clairement dû à un apport de fer», explique Stéphane Blain. «Ce fer provient naturellement des couches plus profondes de l'océan. étudier les raisons de cet apport était un aspect de notre étude. Mais un autre aspect était d'en observer les conséquences. Et là, on se rend compte que le système naturel est efficace pour exporter du CO2 dans les profondeurs. Mais les conditions de cet apport naturel sont complètement différentes de ce qu'on peut faire de manière artificielle en jetant du fer dans les couches de surface. Si bien que, certes, on peut dire qu'un apport artificiel de fer accroît la capture du CO2 dans les eaux de surface, mais on ne peut aller plus loin en affirmant qu'il y aurait exportation du CO2 de manière durable dans les couches profondes de l'océan.»

CO2 + H2O = acide carbonique

Lorsque le CO2 se dissout dans l'eau, la réaction chimique en résultant produit de l'acide carbonique. Autrement dit, le CO2 absorbé par l'océan, même de manière naturelle, accroît l'acidité de l’eau. Avant le début de l'ère industrielle, le pH(1) océanique s'élevait à 8,16, et aujourd'hui, il n'est plus qu'à 8,05. Au rythme actuel d'émission de carbone dans l'atmosphère, et donc d'absorption par les océans, le pH en 2100 devrait se situer aux alentours de 7,60.
Or, rappelle Christoph Heinze, «la survie d'un grand nombre d'organismes marins, dont certains sont à la base de la chaîne alimentaire en milieu océanique, dépend entre autres du pH. L'acidification peut donc avoir pour effet de changer la vie dans les océans. En particulier, ce sont les organismes à coquille calcaire qui seront les plus fragilisés.»
«Si les puits de carbone océaniques continuent de s'affaiblir», conclut le coordinateur de CarboOcean, «il va probablement falloir revoir à la baisse les scénarios actuels d'émissions de gaz à effets de serre, impliquant pour les collectivités une diminution nécessaire de la consommation d'énergie, grosse productrice de CO2 atmosphérique.»

Matthieu Lethé

  1. Sur l'échelle de mesure de l'acidité, les matières les plus acides ont un pH de 0, les matières les plus basiques un pH de 14, et l'eau pure, neutre, un pH de 7.

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