L’acidification des océans


Par Gilles Boeuf
Professeur à l’université Pierre et Marie Curie, Président du MNHN

Adaptation pédagogique : Bruno Chanet, Sophie Pons, Sophie Mouge, Emilie Detouillon (enseignants).


Introduction
Les conséquences d’un changement rapide du pH océanique
Une acidification due aux émissions de CO2

Les conséquences de l’acidification des océans sur les écosystèmes
Les conséquences de l'acidification des océans sur les sociétés humaines
L’état des recherches sur l’acidification des océans
Conclusion
Pour en savoir plus



Introduction

L’océan n’est pas acide au sens strict et ne le sera sans doute jamais : alors pourquoi parle-t-on aujourd’hui de l’acidification des océans ? C’est un nouveau domaine d’observation et de recherche qui n’a pas plus de 10 ans et qui est très multidisciplinaire car il lie chimie, paléontologie, biologie, écologie, biogéochimie, modélisation et sciences sociales.

Deux programmes scientifiques majeurs se préoccupent de cette question primordiale :
En réalité l’océan a un pH stable ou qui a très peu changé depuis au moins 60 millions d’années. Pourtant depuis une trentaine d’années, et ceci directement et totalement lié aux émissions de CO2 atmosphérique, le pH est en train de diminuer : de 8,18 depuis très longtemps il a baissé à 8,08 et pourrait encore baisser de 0,3 à 0,4 unités d’ici la fin du XXIème siècle.


Variation du pH océanique au cours des 25 derniers millions d’années
Variation du pH océanique au cours des 25 derniers millions d’années (d’après Turley et al., in Avoiding Dangerous Climate Change, 2006)


Estimation du pH moyen des eaux de surface
Estimation du pH moyen des eaux de surface d’après le modèle CCSM3 (en savoir plus sur ce modèle) du centre national pour la recherche atmosphérique (d’après Feely et al., Oceanography, 2009).
Notons que les zones froides sont particulièrement sensibles car les gaz, tel le C02, se dissolvent mieux dans les eaux froides que dans les eaux chaudes.


Les conséquences d’un changement rapide du pH océanique

L’échelle de pH est logarithmique (décimale) par rapport à la concentration en acide dans une solution : elle augmente de 1 point lorsque l’acidité est multipliée par 10 ! Ainsi, l’acidité de l’océan a augmenté de 30 % depuis le début de l’ère industrielle (vers 1800). Si la tendance ne s’inverse pas rapidement, l’océan pourrait devenir « corrosif » pour un grand nombre d’organismes marins, en particulier ceux qui ont un squelette (comme les coraux) ou une coquille (comme certains mollusques) construits grâce aux processus de précipitation des carbonates, qui sont dépendants du pH. L’augmentation est 100 fois plus rapide que tous les changements intervenus en matière de pH dans les océans depuis 20 millions d’années. Durant la cinquième grande crise d’extinction massive, il y a 65,5 millions d’années, le pH des océans s’était abaissé et ceci avait entraîné, avec de multiples autres facteurs, la disparition d’importants groupes marins. Des coraux, certains organismes planctoniques et de multiples bio-calcificateurs marins s’étaient éteints.


Une acidification due aux émissions de CO2

Actuellement la quantité de CO2 mesurée dans l’atmosphère est de 392 ppm soit 38 % de plus que la valeur de l’ère préindustrielle (280 ppm). De plus, la moitié de cette variation s’est faite au cours des 30 dernières années. L’acidité croissante des océans est un résultat direct des émissions de CO2, et non du changement climatique. L’acide carbonique (H2CO3) se forme directement dans la masse d’eau lors de la dissolution du dioxyde de carbone (CO2), ce qui abaisse le pH.

On peut alors se demander ce qui aura le plus de conséquences néfastes : « plus de CO2 dans l’atmosphère et donc plus de gaz à effet de serre et de réchauffement » ou « plus de CO2 dans l’océan et donc un pH plus acide ».


Les conséquences de l’acidification des océans sur les écosystèmes

Des études scientifiques démontrent qu’à un pH faible, plusieurs organismes ont des difficultés à bio-calcifier : les stades de développement jeunes sont particulièrement sensibles à la valeur du pH et le coût énergétique de la calcification augmente beaucoup à pH plus bas. De plus, pour beaucoup d’invertébrés marins ainsi que chez certains poissons, l’accumulation de CO2 dans l’organisme peut aussi poser des problèmes physiologiques, non liés à la calcification, et pouvant conduire à des perturbations de la morphologie, du métabolisme, de l’activité physique ou encore de la reproduction. Si certains groupes du plancton comme les coccolithophoridés peuvent être très affectés, d’autres peuvent tirer parti d’une accumulation de CO2 comme les cyanobactéries.



Certaines algues planctoniques ont participé à la construction de roches ; c’est le cas des coccolithophoridés.

Coccosphère
Coccolithophoridé, au microscope électronique à balayage, contenu dans de la craie du Bassin de Paris et vieux de 75 millions d’années (Campanien). Diamètre : 5 micromètres
© D. Noël, MNHN
Falaises d'Etretat
Les célèbres falaises de craie du littoral normand. © S. Mouge, MNHN

Ces algues microscopiques (quelques micromètres de diamètre) ont leur surface recouverte de minuscules plaques calcaires en forme de « tranche d’ananas ». Elles sont connues depuis près de 300 millions d’années et l’accumulation sur les fonds marins de ces plaques a formé les falaises de craie, telles celles des célèbres falaises d’Etretat.

Toute augmentation de l’acidité des eaux océaniques fragilisera leur squelette calcaire et pourrait être une cause de leur disparition.


Les chaînes trophiques marines peuvent être très perturbées avec toutes les répercussions imaginables sur les pêcheries, déjà bien menacées par la surexploitation. Les travaux récents précisent que pour le milieu du XXIème siècle, la calcification des coraux pourrait être diminuée d’un tiers et la superficie totale des récifs n’augmenterait plus. D’ici 2100, 70 % des coraux seraient touchés, de plus en plus en profondeur, car ils sont très sensibles aux variations de pH. Ces coraux d’eau froide constituent un gigantesque panache de vie au sein des environnements profonds sur toute la planète.

Quelques expériences ciblées sur des espèces précises (les huîtres par exemple) ont apporté des informations intéressantes sur une « adaptabilité » potentielle aux changements de pH, mais on ignore encore cette capacité d’adaptation pour un grand nombre d’espèces. Il apparait clairement que ce qui nous préoccupe le plus est la synergie entre tous les effets stressants vécus par l’océan aujourd’hui : température en hausse, pollutions diverses d’origine terrigène et surexploitation des stocks. Il a pu être mis en évidence, chez deux espèces de crabes, une sensibilité accrue à l’augmentation de température dans des conditions de pH bas et une modification possible de leur répartition géographique. La diminution de pH affecte aussi les répartitions des espèces dans les régions côtières et favorise par exemple certaines espèces invasives ayant des capacités d’adaptation plus importantes, comme les méduses.

Les pluies acides (pH entre 1 et 6 !) ont pu contribuer, très localement, à l’acidification de certains environnements côtiers mais elles n’ont pas été globalement impactantes. C’est la diminution globale des carbonates qui rend de plus en plus difficile la construction ou le maintien des squelettes ou coquilles de nombreux organismes : celles des foraminifères des mers australes sont déjà de 30 à 35 % plus légères ! La couche superficielle d’eau est saturée en CO2, et les up-wellings déclenchent des remontées du fond d’eau sous-saturée : ces mouvements sont difficilement supportables par les organismes marins, habitués pour beaucoup à des modifications thermiques sur la côte, mais pas à des variations du pH aussi soudaines.


Composés chimiques résultant du CO2 dissous dans l’eau des océans

Relation entre CO2 atmosphérique et CO2 dissous
Taux de CO2 atmosphérique (en µatm) et conséquence en terme de concentration en CO2 dissous dans l’océan (en µmol/kg) (adapté d’après FAQ sur l‘acidification des océans, EPOCA, mars 2010).
Le scénario proposé ici montre que l’augmentation du taux de CO2 dans l’atmosphère se répercute sur le taux CO2 dissous dans les océans.

Réactions chimiques

Le C02 dissous dans l’eau se combine à H20 pour donner de l’acide carbonique H2CO3, celui-ci libérant des ions bicarbonates HCO3- et des protons H+. Ce sont ces derniers qui déterminent le pH de l’océan. Par ailleurs, les protons peuvent se combiner aux ions carbonates CO32- formant alors des bicarbonates supplémentaires. Or nous savons que les ions carbonates libres sont nécessaires aux organismes marins qui fabriquent une coquille ou un squelette externe (coraux, plancton…).

Avant l’ère industrielle, le taux de C02 atmosphérique était de 280 µatm. Le pH moyen des océans était alors de 8,18. La concentration en carbonates avoisinait 239 µmol/kg.

Si le taux de CO2 atmosphérique devait être multiplié par 2 et atteindre 560 µatm (scénario évoqué à gauche ci-dessus), l’augmentation de la concentration en protons (H+) dans l’océan qui suivrait, entrainerait une diminution notable du pH qui passerait alors à 7,93. En parallèle, les protons en surplus, en se combinant aux ions carbonates, feraient baisser la concentration de ces derniers de 239 à 151 µmol/kg, limitant ainsi le stock de carbonates disponibles pour les organismes marins.




Les conséquences de l'acidification des océans sur les sociétés humaines

Comme les larves et les juvéniles sont particulièrement sensibles aux changements de pH, la sécurité alimentaire de millions d’humains pourrait être touchée : si l’acidification rend impossible la vie pour les coraux, alors la biodiversité, le tourisme, les pêcheries, l’aquaculture et la protection du trait de côte seront durablement affectés. Le blanchissement du corail est très dépendant de la synergie hausse thermique/baisse du pH ce qui explique pourquoi les récifs coralliens risquent d’être particulièrement touchés.

Des inter-réactions sont aussi possibles dans la stabilisation des concentrations de CO2 atmosphérique : si l’océan contient plus de CO2, il ne pourra plus absorber le CO2 atmosphérique, ou moins. La capacité de l’océan à pomper le carbone atmosphérique va être fortement perturbée si les organismes marins calcifient anormalement. Aujourd’hui on estime que cette pompe à carbone, que constitue l’océan représenterait entre 40 et 400 milliards de $ de manque à gagner pour l’humanité par an ! Aujourd’hui, les Etats veulent maintenir le niveau atmosphérique à moins de 500 ppm de CO2 mais il n’est pas certain que nous y parvenions...



L’état des recherches sur l’acidification des océans

La recherche est très active dans ce domaine, en effet environ 62 % des publications sur l’acidification des océans ont été produites depuis 2004, mais un grand nombre de questions cruciales demeurent en suspens. Il nous est très difficile actuellement de préciser les impacts avec suffisamment de précision : les ressources vivantes des océans sont estimées à environ 160 milliards de $ par an et plus de 100 millions de personnes en vivent directement. Pourtant nous sommes incapables d’identifier des seuils d’alerte au-delà desquels les effets sur les écosystèmes marins et conséquemment sur l’économie mondiale, seront irréversibles. Beaucoup de travaux se sont focalisés sur quelques espèces seulement et nous manquons encore de recul. Il serait important d’identifier les gènes majeurs impliqués dans la bio-calcification et la régulation de la balance acido-basique. En effet, la mesure de leur « plasticité » d’expression sera déterminante pour calculer les degrés d’adaptabilité des organismes. Même avec une stabilisation du CO2 atmosphérique à 450 ppm, l’acidification des océans aura de profondes et durables répercussions sur nombre d’écosystèmes marins.


Conclusion

Tout au long de l’histoire de la vie, les environnements ont profondément changé mais sur de longues périodes, c’est-à-dire de centaines de milliers ou de millions d’années. Or, actuellement, les paramètres du milieu varient sur quelques dizaines d’années : l’acidification des océans actuelle s’est déroulée 10 fois plus vite que celle ayant précédé la 5ème grande crise d’extinction. Il y aura donc inévitablement des gagnants et des perdants, mais l’humanité risque bien de faire partie des seconds. Alors l’acidification, une « course aux armements » ? Les nouvelles communautés qui vont apparaître pourront-elles fournir les mêmes services à l’humain que les écosystèmes actuels ? De plus, sans le CO2 piégé par l’océan, nous en serions aujourd’hui à 460 ppm dans l’atmosphère, cet effet de serre supplémentaire et le réchauffement concomitant ont donc pu être évités, mais au prix de l’acidification des océans, de Charybde en Scylla ?





Pour en savoir plus

  • 2 programmes scientifiques internationaux majeurs :
    • Le projet européen EPOCA (European Project on OCean Acidification) a été lancé en juin 2008 avec l'objectif d'étudier les conséquences biologiques, écologiques, biogéochimiques et sociétales de l'acidification des océans. Le consortium d'EPOCA réunit plus de 160 chercheurs de 32 institutions et 10 pays européens (Allemagne, Belgique, France, Grande Bretagne, Islande, Italie, Norvège, Pays-Bas, Suède et Suisse).
    • The scientific mission of OCB is to study the evolving role of the ocean in the global carbon cycle, in the face of environmental variability and change through studies of marine biogeochemical cycles and associated ecosystems.
  • Un document écrit en 6 langues fait le point sur l’état actuel des connaissances concernant l’acidification des océans
  • Résumé à l’intention des décideurs du 2è Symposium sur « l’Océan dans un monde avec un taux élevé de CO2 »
  • un film : « Tipping Point » de Laurence Jourdan
  • un livre : « Ocean Acidification » de Jean-Pierre Gattuso et Lina Hansson : 326 pages, 75 illustrations (246×189 mm), September 2011
  • Pour élargir le sujet : un article qui traite de la biodiversité face au réchauffement climatique avec l’exemple des oiseaux
  • 2 références abordant des solutions techniques envisagées actuellement pour limiter l’acidification des eaux :
  • Pour mener une activité en classe autour de l'acidification des eaux, consulter la ressource proposée dans ce module : "Du CO2 dans l'eau de mer ?"

Modifié le: mercredi 4 février 2015, 12:59