ACIDIFICATION DES OCÉANS

Par sa capacité à dissoudre les gaz atmosphériques responsables de l'effet de serre, l'océan joue un rôle essentiel dans la régulation du climat. Toutefois, l'absorption de l'excès de dioxyde de carbone (CO₂) rejeté par les activités humaines (anthropiques) depuis 1850 perturbe la chimie de l'océan mondial. Elle se traduit par une diminution sensible du pH (potentiel hydrogène) de l'eau, c'est-à-dire une acidification de l'océan. Ce phénomène menace potentiellement les organismes qui possèdent un squelette ou une coquille calcaire. En effet, le calcaire est instable en milieu acide et se dissout. Ces organismes sont-ils condamnés à disparaître ? Certaines espèces sont-elles capables de s'adapter aux variations de l'environnement ?

L'océan, un régulateur de la teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère

L'eau de mer solubilise les gaz de l'atmosphère, et plus particulièrement le CO₂. Au total, l'océan mondial contient soixante-cinq fois plus de carbone sous forme de CO₂ que l'atmosphère. C'est donc lui qui contrôle la composition de l'atmosphère en CO₂ et non l'inverse. Depuis 1850, il a absorbé environ le tiers des flux de CO₂ émis par les activités humaines. Le CO₂ étant un gaz impliqué dans l'effet de serre, si l'océan n'existait pas, le réchauffement de la Terre serait donc beaucoup plus important que celui que nous connaissons. Cependant, ce processus présente un effet collatéral négatif : l'eau de mer enrichie en CO₂ « s'acidifie ». Le pH (calculé par le logarithme décimal de l'inverse de la concentration en ions hydrogène H⁺) est le paramètre qui qualifie l'acidité d'une solution : celle-ci est neutre lorsque le pH est égal à 7, acide lorsqu'il est inférieur à cette valeur et basique lorsqu'il est supérieur. Depuis l'ère industrielle, le pH de l'océan, basique, est passé de 8,2 à 8,1. Cette baisse de 0,1 unité correspond à une augmentation de l'acidité de l'ordre de 25 p. 100. En se fondant sur le scénario le plus pessimiste du G.I.E.C. (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat), mais qui, hélas, n'est pas improbable, on peut prévoir une décroissance du pH de l'eau de mer de 0,35 unité à la fin du xxi^e siècle.

La chimie de l'océan et le dioxyde de carbone

À la différence d'autres gaz comme le di-oxygène (O₂), le CO₂ non seulement se dissout dans l'eau mais réagit avec elle pour former de l'acide carbonique (H₂CO₃) qui, lui-même, se dissocie en ions bicarbonates (HCO₃^–) et en ions carbonates (CO₃^2–) (fig. 1). En libérant des ions H⁺, ces réactions vont accroître la concentration de ces ions dans l'eau, d'où une augmentation de l'acidité, ce qui se traduit par une baisse du pH. Dans l'océan actuel, avec un pH de 8,1, la concentration en bicarbonates domine largement celle des carbonates et celle du CO₂ libre dissous. Dans ces conditions, les ions calcium (Ca²⁺) de l'eau de mer réagissent avec les bicarbonates pour former du carbonate de calcium (CaCO₃) ou calcaire. Ce composé peut précipiter (devenir solide) dans l'eau de mer ou s'accumuler dans certains organismes, dits « organismes calcaires », leur permettant de constituer leur coquille, ou leur test (exosquelette). Ces structures peuvent être composées de calcite (par exemple chez les coccolithophoridés [algues unicellulaires] et les foraminifères planctoniques), ou d' aragonite (ptéropodes [escargots planctoniques], coraux, mollusques tels que les huîtres), les deux formes cristallines principales du carbonate de calcium. Certains autres mollusques, comme les ormeaux, sécrètent des coquilles composées de couches alternées de calcite et d'aragonite. Du carbonate de magnésium peut aussi se former de façon analogue chez plusieurs crustacés et chez certaines algues.

La solubilité du carbonate de calcium dépend de la température, de la pression et de la salinité de l'eau. Pour l'exprimer, on définit le facteur de saturation Ω. Lorsqu'il est supérieur à 1, le carbonate de calcium précipite ; lorsqu'il est inférieur à 1, il se dissout. L'horizon de saturation (Ω = 1) se situe en général en profondeur (fig. 1). Le carbonate de calcium peut donc exister sous forme solide de la surface de l'océan jusqu'à la profondeur à laquelle se situe l'horizon de saturation. En revanche, dans l'océan profond trop « acide », il se dissout.

Quand la teneur en CO₂ de l'eau de mer augmente, on pourrait penser que l'on favorise la formation du carbonate de calcium. En fait, l'excès de CO₂ réagit avec ce composé pour former des ions bicarbonates et calcium. Donc, on déstabilise le carbonate de calcium.

La formation de carbonate de calcium dans les organismes calcaires marins ne se résume toutefois pas à une précipitation purement chimique. Elle implique des mécanismes biochimiques complexes qui ne sont pas ici présentés.

Mesure de la décroissance du pH de l'océan

La variation du pH des eaux de surface de l'océan mondial est suivie grâce à un réseau de neuf stations. Dans l'océan Pacifique nord (fig. 2), il a diminué de 0,040 unité en vingt ans. Dans l'océan Atlantique nord, aux îles Canaries, une baisse de 0,0017 ± 0,0003 unité par an a été enregistrée de 1995 à 2004. La décroissance est plus importante pour la station située au large de l'Islande : 0,0024 unité par an, de 1985 à 2008. Cela confirme la tendance à la baisse attendue, plus importante dans les eaux froides qui dissolvent plus de CO₂ que dans les eaux chaudes. Toutefois, il faut noter que le pH varie naturellement au cours de l'année (fig. 2). En effet, il passe par un maximum au printemps, lorsque le phytoplancton croît, c'est-à-dire quand la photosynthèse (avec consommation de CO₂ dissous) est active, et par un minimum en automne, lorsque la production de CO₂ par biodégradation de la matière organique prédomine. Cet écart saisonnier varie de 0,030 à 0,070, soit bien plus que la tendance annuelle sous l'effet de l'enrichissement de l'océan en CO₂ atmosphérique d'origine anthropique. Pour distinguer, dans la variation mesurée, la part due aux activités humaines de celle correspondant à une variation saisonnière naturelle, il faut disposer de mesures très précises de pH et de séries à long terme. On voit aussi que si le pH baisse, il reste toujours supérieur à 7 (neutralité), ce qui caractérise une solution basique. Le terme « acidification », malheureusement très largement répandu, n'est en principe pas approprié ici.

Baisse du pH et perturbation des carbonates

On a vu que si l'on augmente la teneur en CO₂ dissous de l'eau de mer on déstabilise le carbonate de calcium. L'acidification des océans entraîne la remontée de l'horizon de saturation et cela d'autant plus que la forme sous laquelle précipite les carbonates de calcium est soluble. L'aragonite est beaucoup plus sensible à ce phénomène que la calcite, qui est plus stable. Une simulation de l'augmentation de la pression partielle de CO₂ dans l'atmosphère est proposée par le G.I.E.C., qui a identifié plusieurs scénarios selon l'intensité de l'émission des gaz à effet de serre. En utilisant des modèles globaux de circulation des océans, les scientifiques du Réseau européen d'excellence EUR-OCEANS ont calculé comment le pH de l'océan mondial pourrait varier au cours du xxi^e siècle dans le cas où la teneur en CO₂ de l'atmosphère passerait de 395 ppm (teneur actuelle) à 450 ppm (parties par million) (fig. 3). Le modèle utilisé a été au préalable validé pour la période actuelle. Il montre que le système des carbonates des océans polaires sera profondément perturbé d'ici les années 2030 par la décroissance du pH. La perturbation gagnera ensuite les océans tempérés.

Quels sont les impacts pour les écosystèmes marins ?

La paléo-océanographie nous apprend que des variations importantes du pH se sont déjà produites par le passé et que les impacts sur les écosystèmes marins peuvent être importants, avec disparition de certaines espèces calcaires. Cependant, de telles variations se sont effectuées à une échelle de temps beaucoup plus longue que celle que nous connaissons actuellement. Peut-on prévoir l'avenir d’un océan qui se réchauffe et qui « s'acidifie » rapidement ?

Pour répondre à cette question, il faut tout d'abord analyser des environnements actuels contrastés au niveau du pH. Ainsi, dans un écosystème côtier type tel que celui de la rade de Brest (océan Atlantique nord), au moment de la floraison printanière phytoplanctonique, le pH augmente de 0,2 unité en quelques semaines sous l'effet de la photosynthèse consommatrice du CO_2. De même, en automne, il diminue de 0,2 unité du fait de la dégradation de la matière organique qui régénère du CO_2. Les organismes calcaires qui se développent dans ce milieu sont donc a priori adaptés à de telles variations de pH. En revanche, les sites hydrothermaux sous-marins qui rejettent du CO₂ présentent des conditions beaucoup plus contraignantes. Ainsi, sur un site côtier de Sicile, le pH varie de 6,2 à 7,0. Dans l'environnement immédiat des émissions, pratiquement aucune algue calcaire n'est présente ; à quelques centaines de mètres plus au large, où le pH est classiquement de 8,2, les algues calcaires abondent.

Des expérimentations, telles que celles qui ont été conduites entre 2008 et 2012 par les chercheurs du programme Epoca (European Project on Ocean Acidification) financé par la Commission européenne, permettent également d'envisager les conséquences, sur les écosystèmes marins, d'une diminution du pH moyen de l'eau de mer de l'ordre de 0,35 unité. Ces travaux confirment que les organismes planctoniques possédant des tests ou des coquilles d'aragonite sont les plus menacés. En milieu perturbé, les ptéropodes qui, dans les écosystèmes polaires, sont des constituants importants des chaînes alimentaires, construisent leur coquille à une vitesse de 30 p. 100 plus faible que la normale. Les coraux sont également concernés, par exemple ceux de la Grande Barrière australienne. Plusieurs études expérimentales montrent cependant que la capacité des coraux à survivre dans un environnement « plus acide » varie selon les espèces. Certaines sont effectivement décalcifiées alors que d'autres ne sont pas affectées ou s'adaptent en se renforçant. Des chercheurs ont montré que la diminution du pH n'a que peu d'impact sur la production des protéines qui contrôlent le transport cellulaire des ions responsables du dépôt de carbonate de calcium à l'intérieur des cellules de corail proprement dit. En revanche, l'expression des gènes intervenant dans la formation des squelettes calcaires peut être, pour certaines espèces, profondément affectée par de fortes teneurs en CO₂. La complexité des processus biochimiques et génétiques impliqués fait qu'il est actuellement difficile de prévoir le sort des récifs coralliens à l'échelle globale. Les résultats actuels semblent controversés.

L'impact effectif de l'acidification sur les espèces de mollusques d'intérêt commercial commence à être évalué. Les chercheurs du programme Epoca ont déjà montré qu'une diminution de pH, du même ordre de grandeur que celle prédite d'ici à la fin du xxi^e siècle, aurait un impact négatif sur le développement des larves de bivalves de l' huître creuse et de la moule bleue, mollusques très présents dans les eaux littorales de l'ouest de la France. D'importantes perturbations dans les écloseries d'huîtres des eaux littorales des États de Washington et d'Oregon sont mentionnées depuis 2006 par des chercheurs nord-américains. La production de larves ainsi que la croissance au stade intermédiaire de l'huître Crassostrea gigas sont défavorisées quand le pH diminue et quand le facteur Ω devient inférieur à 1, révélant ainsi les risques réels encourus par cette activité d'intérêt commercial.

Un aspect souvent ignoré de la diminution du pH sur l'océan est l'impact sur la transmission du son. En effet, les ondes de basse fréquence (de 1 à 3 kHz) se transmettent dans l'eau de mer où elles interfèrent avec certaines formes, ionisées ou non, de borates et de carbonates, dont l'abondance dépend directement du pH. Un océan « acidifié » est plus « sonore » et l'impact réel d'un tel changement sur les grands mammifères marins est en cours d'étude.

Bibliographie

Sites internet