Qu’est-ce que l’acidification des océans ?
Depuis le début de la Révolution industrielle, lorsque les humains ont commencé à brûler du charbon en grande quantité, l’eau des océans du monde est progressivement devenue plus acide. Comme le réchauffement climatique, ce phénomène, connu sous le nom d’acidification des océans, est une conséquence directe de l’augmentation des niveaux de dioxyde de carbone (CO2) dans l’atmosphère terrestre.
Avant l’industrialisation, la concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère était de 280 parties par million (ppm). Avec l’utilisation accrue des combustibles fossiles, ce nombre approche maintenant les 400 ppm et le taux de croissance s’accélère. Les scientifiques calculent que l’océan absorbe actuellement environ un quart du dioxyde de carbone que les humains émettent. Lorsque le dioxyde de carbone se combine avec l’eau de mer, des réactions chimiques se produisent qui réduisent le pH de l’eau de mer, d’où le terme acidification des océans.
Actuellement, environ la moitié du dioxyde de carbone anthropique (d’origine humaine) dans l’océan se trouve dans les 400 mètres supérieurs (1 200 pieds) de la colonne d’eau, tandis que l’autre moitié a pénétré dans la thermocline inférieure et l’océan profond. La circulation due à la densité et au vent aide à mélanger les eaux de surface et les eaux profondes dans certaines régions de haute latitude et côtières, mais pour une grande partie de l’océan ouvert, les changements profonds de pH devraient retarder les changements de pH de surface de quelques siècles.
L’acidification des océans et le réchauffement de la planète sont des problèmes différents, mais étroitement liés car ils partagent la même cause profonde: les émissions humaines de dioxyde de carbone. La concentration atmosphérique de dioxyde de carbone est maintenant plus élevée qu’elle ne l’a été au cours des 800 000 dernières années et peut-être plus élevée qu’à tout moment au cours des 20 derniers millions d’années. Les humains ont jusqu’à présent bénéficié de la capacité de l’océan à contenir d’énormes quantités de carbone, y compris une grande partie de cet excès de dioxyde de carbone. Si l’océan n’avait pas absorbé des quantités aussi importantes de dioxyde de carbone, la concentration atmosphérique serait encore plus élevée et les conséquences environnementales du réchauffement climatique (élévation du niveau de la mer, évolution des conditions météorologiques, événements météorologiques plus extrêmes, etc.) et leurs impacts socioéconomiques associés seraient probablement encore plus prononcés. Cependant, les océans ne peuvent pas continuer à absorber le dioxyde de carbone au rythme actuel sans subir des changements importants dans la chimie, la biologie et la structure de l’écosystème.
Mesure de l’acidification des océans: Passé et présent
Les scientifiques savent que les océans absorbent le dioxyde de carbone et deviennent par la suite plus acides grâce aux mesures effectuées sur l’eau de mer collectée lors de croisières de recherche, qui offrent une large couverture spatiale sur une courte période de temps, et aux mesures automatisées du carbone océanique sur des amarres fixes, qui fournissent des données à long terme et à haute résolution à partir d’un seul endroit.
Ces enregistrements peuvent être prolongés dans le temps en utilisant ce que l’on appelle des approximations chimiques pour fournir une mesure indirecte de la chimie des carbonates de l’eau de mer. Un proxy est une mesure à partir d’archives naturelles (carottes de glace, coraux, cernes d’arbres, sédiments marins, etc.) qui est utilisé pour déduire les conditions environnementales passées. Par exemple, en analysant la composition chimique de minuscules coquilles fossiles trouvées dans les sédiments océaniques profonds, les scientifiques ont développé des enregistrements de pH océaniques datant de l’Antiquité, où il n’y avait pas de pH-mètres. De plus, comme l’eau de surface de l’océan est en équilibre chimique approximatif, ou en équilibre, avec l’atmosphère au-dessus, un enregistrement du pH historique de l’océan peut être déduit des enregistrements de dioxyde de carbone atmosphérique provenant des carottes de glace du Groenland et de l’Antarctique, qui contiennent des bulles d’air de l’atmosphère ancienne. De telles preuves indiquent que les concentrations actuelles de dioxyde de carbone dans l’atmosphère et les niveaux de pH des océans sont sans précédent depuis au moins les 800 000 dernières années.
En remontant plus profondément dans l’histoire de la Terre jusqu’à la limite Paléocène-Éocène il y a environ 55 millions d’années, les scientifiques ont trouvé des preuves géochimiques d’une libération massive de dioxyde de carbone accompagnée d’un réchauffement important et d’une dissolution des sédiments carbonatés peu profonds dans l’océan. Bien que quelque peu analogue à ce que nous observons aujourd’hui, cette libération de dioxyde de carbone s’est produite sur plusieurs milliers d’années, beaucoup plus lentement que ce à quoi nous assistons aujourd’hui, laissant ainsi le temps aux océans d’amortir partiellement le changement. Dans les archives géologiques, pendant les périodes de changements environnementaux rapides, les espèces se sont acclimatées, adaptées ou ont disparu. Les coraux ont subi de grands événements d’extinction dans le passé (comme l’extinction permienne il y a 250 millions d’années), et de nouvelles espèces de coraux ont évolué pour prendre leur place, mais il a fallu des millions d’années pour récupérer les niveaux précédents de biodiversité.
Comment l’acidification des océans affecte-t-elle la chimie des océans ?
L’eau de mer a un pH de 8,2 en moyenne car elle contient des ions alcalins naturels provenant principalement de l’altération des roches continentales. Lorsque l’eau de mer absorbe le dioxyde de carbone de l’atmosphère, de l’acide carbonique est produit (voir Encadré 1), ce qui réduit le pH de l’eau. Depuis l’aube de l’industrialisation, le pH moyen des océans à la surface a diminué à environ 8,1.
Comme l’échelle de pH est logarithmique (un changement de 1 unité de pH représente un changement d’acidité décuplé), ce changement représente une augmentation de 26% de l’acidité sur environ 250 ans, un taux 100 fois plus rapide que tout ce que l’océan et ses habitants ont connu depuis des dizaines de millions d’années.
L’acidification peut affecter de nombreux organismes marins, mais en particulier ceux qui construisent leurs coquilles et leurs squelettes à partir de carbonate de calcium, tels que les coraux, les huîtres, les palourdes, les moules, les escargots et le phytoplancton et le zooplancton, les minuscules plantes et animaux qui forment la base du réseau trophique marin.
Ces « calcificateurs marins » font face à deux menaces potentielles liées à l’acidification des océans: 1) Leurs coquilles et leurs squelettes peuvent se dissoudre plus facilement à mesure que le pH de l’océan diminue et que l’eau de mer devient plus corrosive; et 2) Lorsque le CO2 se dissout dans l’eau de mer, la chimie de l’eau change de sorte que moins d’ions carbonate, les principaux éléments constitutifs des coquilles et des squelettes, sont disponibles pour l’absorption par les organismes marins. Les organismes marins qui construisent des coquilles ou des squelettes le font généralement par un processus chimique interne qui convertit le bicarbonate en carbonate afin de former du carbonate de calcium.
La façon exacte dont l’acidification des océans ralentit les taux de calcification, ou la formation de coquilles, n’est pas encore entièrement comprise, mais plusieurs mécanismes sont à l’étude. La plupart des hypothèses se concentrent sur l’énergie supplémentaire qu’un organisme doit dépenser pour construire et entretenir ses coquilles et squelettes de carbonate de calcium dans un environnement de plus en plus corrosif. Face à cette dépense énergétique supplémentaire, l’exposition à des facteurs de stress environnementaux supplémentaires (augmentation de la température des océans, diminution de la disponibilité en oxygène, maladies, perte d’habitat, etc.) aggravera probablement le problème.
Ces effets sont déjà documentés chez de nombreux organismes marins, en particulier chez les coraux tropicaux et d’eau profonde, qui présentent des taux de calcification plus lents dans des conditions plus acides. L’impact sur les coraux est très préoccupant car ils produisent des structures massives de carbonate de calcium appelées récifs qui fournissent un habitat à de nombreux animaux marins, y compris des espèces de poissons et de crustacés d’importance commerciale qui utilisent les récifs comme pépinière. Les récifs coralliens sont vitaux pour les humains en tant que sources de nourriture et de médicaments, protection contre les tempêtes et centre de l’écotourisme. En plus des coraux, des études ont montré que l’acidification nuit à la capacité de certains planctons calcifiants, de minuscules plantes flottantes et d’animaux à la base du réseau trophique, à construire et à entretenir leur coquille. Les scientifiques ont également observé une augmentation des taux de mortalité larvaire de plusieurs poissons et crustacés d’importance commerciale.
À quoi pouvons-nous nous attendre à l’avenir ?
L’acidification des océans se produit à un rythme de 30 à 100 fois plus rapide qu’à tout moment au cours des derniers millions d’années, en raison du taux de croissance rapide du CO2 atmosphérique qui est presque sans précédent au cours de l’histoire géologique. Selon le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), les scénarios économiques et démographiques prévoient que les niveaux de CO2 dans l’atmosphère pourraient atteindre 500 ppm d’ici 2050 et 800 ppm ou plus d’ici la fin du siècle. Cela entraînera non seulement une augmentation significative de la température dans l’atmosphère et l’océan, mais acidifiera davantage l’eau de l’océan, réduisant le pH estimé à 0,3 à 0,4 unité d’ici 2100, soit une augmentation de 150% de l’acidité par rapport à la période préindustrielle. En supposant un scénario d’émission de CO2 ”comme d’habitude » du GIEC, les modèles prédictifs de la biogéochimie océanique projettent que les eaux de surface des océans arctique et austral deviendront sous-saturées en aragonite (une forme plus soluble de carbonate de calcium) d’ici quelques décennies, ce qui signifie que ces eaux deviendront très corrosives pour les coquilles et les squelettes des calcificateurs marins producteurs d’aragonite comme les escargots marins planctoniques appelés ptéropodes.
Bien que l’acidification des océans ne soit apparue que récemment comme un problème scientifique, elle a rapidement soulevé de sérieuses préoccupations quant aux impacts à court terme sur les organismes marins et à la santé à long terme de l’océan. Les scientifiques estiment qu’au cours des prochains milliers d’années, 90% des émissions anthropiques de CO2 seront absorbées par l’océan. Cela peut potentiellement affecter les processus biologiques et géochimiques tels que la photosynthèse et le cycle des nutriments qui sont vitaux pour les écosystèmes marins sur lesquels la société humaine et de nombreux systèmes naturels dépendent. Dans le même temps, les organismes marins seront confrontés à l’énorme défi de s’adapter à l’acidification des océans, au réchauffement de l’eau et à la baisse des concentrations d’oxygène dans les océans souterrains.