L'océan et les changements climatiques : relations avec la chimie et la biologie marines (1)

Comme le montrent les mesures à l’observatoire de Mauna Loa à Hawaii, la pression partielle de CO₂ atmosphérique a fortement augmenté depuis 315 ppm à la fin des années 50, pour atteindre aujourd’hui la teneur de 400 ppm (parties par million en volume). À part une petite variation saisonnière (< 10 ppm), l’évolution continue du CO₂ correspond à une augmentation annuelle d’environ 1 à 2 ppm. En tenant compte des mesures équivalentes pour d’autres stations, on peut directement convertir cette augmentation en milliards de tonnes (GtC) de carbone par an (ou pétagramme : 10¹⁵g PgC). Actuellement, l’évolution du stock atmosphérique est d’environ 4 à 5 GtC/an. Cette augmentation peut être comparée directement avec les différentes émissions d’origine anthropique, notamment la combustion des fuels fossiles et la déforestation. L’émission actuelle est estimée à environ 10 GtC/an. En considérant les bilans d’émissions depuis le début de l’ère industrielle, il est aussi possible d’estimer un total cumulé d’environ 350 GtC injecté sous forme de CO₂ dans l’atmosphère (ou ≈ 530 GtC si l’on inclut la déforestation). La comparaison directe entre les émissions de CO₂ et l’évolution du stock atmosphérique montre qu’environ la moitié du CO₂ émis n’est plus dans l’atmosphère. Cette constatation au premier ordre est vraie à la fois pour l’augmentation actuelle (10 vs 5 GtC/an) et pour les évolutions cumulées depuis la teneur préindustrielle de 280 ppm mesurée dans les bulles des carottes de glace de l’Antarctique. En fait, les molécules de gaz carbonique en excès ont diffusé vers d’autres réservoirs du cycle du carbone, notamment la biosphère terrestre et les sols ainsi que l’océan dont il est question dans ce cours.

L’océan est un énorme réservoir de carbone qui en contient environ 60 fois plus que l’atmosphère. Les flux bruts annuels entre l’atmosphère et l’océan sont un ordre de grandeur plus important que la perturbation anthropique. Néanmoins, ces flux bruts conduisaient à un équilibre qui maintenait des stocks de carbone à l’état stationnaire au cours des siècles et millénaires. Malgré la relative petitesse du flux de carbone anthropique, il est possible de suivre sa pénétration dans l’océan et de quantifier le stockage annuel pour vérifier le bilan établi en calculant la différence entre les émissions et le stock atmosphérique.

La première preuve de l’injection du CO₂ anthropique dans l’atmosphère vient de la mesure de la teneur en carbone 14 du CO₂. Les combustibles fossiles ne contenant plus de ¹⁴C ces mesures permettent d’étudier le mélange du carbone anthropique avec le carbone naturel. Le ¹⁴Cnous procure, en quelque sorte, une photo en négatif de la contamination du CO₂. C’est d’ailleurs comme cela que l’invasion du carbone fossile a été détectée la première fois dans les années 1950 par Hans Suess, qui mesurait la teneur en ¹⁴C dans les cernes des arbres pour remonter au-delà du XIX^e siècle. Cette mise en évidence par le ¹⁴C a précédé celle de l’augmentation du CO₂ atmosphérique réalisée à l’observatoire de Mauna Loa par Dave Keeling. Les données montrent une diminution graduelle d’environ − 25 ‰ du rapport ¹⁴C /¹²Cde l’atmosphère jusqu’au milieu des années 50. À partir de cette date, l’atmosphère a été enrichie subitement par du ¹⁴Ccréé par les essais aériens de bombes thermonucléaires. Un peu plus d’une tonne de ¹⁴Cartificiel a été injecté dans la stratosphère. Après son homogénéisation dans la troposphère, on a pu suivre la diminution du rapport ¹⁴C /¹²Cliée à la diffusion des molécules de CO₂ marquées par le ¹⁴Cthermonucléaire et par la dilution due à la combustion des carbones fossiles, dépourvus de ¹⁴C.

Une première méthode pour calculer la quantité de CO₂ pénétrant chaque année dans l’océan est de mesurer le flux net de CO₂ à l’interface air-mer. Ce flux dépend du déséquilibre entre la pression partielle atmosphérique en CO₂ et sa fugacité à la surface de l’océan. Le flux dépend non seulement de ce gradient des pressions partielles, mais aussi de la solubilité du CO₂ et d’un coefficient de vitesse de transfert du gaz, lui même fonction de l’état de surface de la mer lié à la vitesse du vent. Les analyses de pCO₂ sont réalisées au laboratoire (absorption IR, chromatographie en phase gazeuse) ou in situ avec des capteurs colorimétriques automatisés. Depuis 40 ans environ trois millions de mesures de la pCO₂ de l’océan de surface permettent de cartographier les flux locaux en fonction des saisons dans tout l’océan mondial. La carte des flux de CO₂ présente des gradients très marqués, avec des zones puits aux moyennes latitudes (i.e. flux nets positifs : de CO₂, de l’atmosphère vers l’océan) et des zones sources aux basses et hautes latitudes (i.e. flux nets négatifs : donc de l’océan vers l’atmosphère). Ces différences de comportement sont dues à la dynamique océanique et à la répartition naturelle du carbone dans l’océan. Pour estimer un flux global, il est crucial de tenir compte de la saisonnalité des températures et des vents qui contrôlent la solubilité et le coefficient d’échange. Par cette méthode des flux d’échange locaux, il est possible d’estimer un flux annuel moyen d’environ 2 ± 1 GtC/an pour l’année 2000, date à laquelle les émissions de carbones fossiles étaient de 7 GtC/an (et de 8 GtC/an en incluant la déforestation). L’océan pompe donc en moyenne 30 % des émissions de CO₂ issues des combustibles fossiles.