Acidification des océans

Cette acidification a au moins trois causes anthropiques identifiées :

1. l'absorption de dioxyde de carbone atmosphérique dont le taux augmente (cette augmentation est en grande partie d'origine anthropique) [Note 1] - [6]. C'est la première cause identifiée, et probablement la plus importante ;
2. l'absorption par l'océan de pluies ou d'eaux météoriques ou de ruissellement acidifiées par divers composés azotés anthropiques dits azote réactif. Ces composés sont notamment issus (directement ou indirectement par photochimie) de la circulation motorisée, de l'agriculture et du chauffage qui dégagent des oxydes d'azote, source d'acide nitreux et d'acide nitrique qui contaminent l'atmosphère puis les mers via les pluies et les cours d'eau. Les analyses isotopiques montrent que l'humain a plus que doublé la quantité d'azote réactif (Nr) annuellement entrant dans la biosphère, essentiellement à partir de 1895 ± 10 ans (± 1 pour l'écart-type) avec une forte augmentation dans les années 1960 à 2010, principalement dans l'hémisphère Nord[10] ;
3. l'absorption de composés soufrés issus des combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz). Le soufre, lors de la combustion se transforme en effet en dioxyde de soufre, source d'acide sulfureux et d'acide sulfurique. La plupart des navires de marine marchande et de marine de guerre utilisent encore des combustibles lourds très polluants et notamment sources d'aérosols soufrés. Ils sont une source importante d'aérosols atmosphériques.

Ces trois facteurs associés pourraient avoir des effets environnementaux synergiques, et acidifient les eaux côtières plus rapidement que ne le prévoyaient les premières modélisations.

Environ six téramoles d'azote actif (et deux téramoles de soufre) seraient annuellement injectées dans l’atmosphère, ce qui est bien moins que les 700 téramoles de CO₂, selon une étude récente pilotée par Scott Doney (en) (Institut océanographique de Woods Hole, Massachusetts, USA). Cet azote aurait sur certains littoraux un impact équivalent à 10 à 50 % de celui du CO₂. L'océan lointain est moins touché, mais les zones côtières et proches du plateau continental sont largement les plus importantes pour l'Homme (pêche, activité économique et touristique).

Il semble de plus que les estuaires et les zones mortes ne remplissent plus leur rôle de puits de carbone, et que l'acidification est un phénomène qui puisse — parfois (comme dans le cas du drainage minier acide) et dans une certaine mesure — s'autoentretenir.

Dans le cycle du carbone naturel, la concentration de dioxyde de carbone (CO₂) représente un équilibre de flux entre les océans, la biosphère terrestre, et l'atmosphère. L'usage de combustibles fossiles et notamment la production de ciment entraînent un nouveau flux de CO₂ dans l'atmosphère. Une partie reste dans l'atmosphère, une autre partie est absorbée par les plantes terrestres, et une dernière partie d'environ 25 % est absorbée par les océans.

Quand le CO₂ se dissout, il réagit avec l'eau pour former un équilibre d'espèces chimiques ioniques et non ioniques : dioxyde de carbone libre dissous CO_2(aq) (très partiellement hydraté en acide carbonique dissous H₂CO_3(aq)), bicarbonate HCO₃⁻ et carbonate CO₃²⁻. La proportion de ces espèces dépend principalement de l'alcalinité de l'eau et secondairement de facteurs tels que la température et la salinité de l'eau de mer qui décline localement (là où les glaces ou glaciers fondent rapidement).
(voir l'article Solubility pump consacré à la pompe de solubilité (en) de l'océan).

Une idée courante est que la perte de capacité de biominéralisation des organismes à squelette ou coquille calcaire serait principalement due à un manque d'ion carbonate[11], mais les recherches récentes suggèrent que, c'est plus probablement la réduction du pH de l'eau de mer (c'est-à-dire l'augmentation du taux de protons [H⁺]) qui est le facteur le plus direct des difficultés de calcification apparues chez ces organismes. Trop de protons dans l'eau modifie les équilibres osmotiques et empêchent la plupart de ces organismes de maintenir leur homéostasie du pH[11]. Le manque d'ions carbonate est aussi en jeu, car le coût énergétique de la calcification augmente quand la saturation de l'eau en carbonates diminue[12].

Au niveau planétaire, l'apport anthropique d'azote n'influence quantitativement que modestement l'acidification de l'océan (loin derrière le CO₂). Mais près des côtes, où l'on trouve une grande partie de la biodiversité marine (dont une partie est une ressource alimentaire), les apports anthropogéniques de soufre et d'azote (0,8 Tmol/an de soufre réactif et 2,7 Tmol/an d'azote réactif au tout début du XXI^e siècle[13]) sont très importants, et leurs effets acidifiants plus sérieux. Des apports d'azote atmosphérique vers l'océan sont en outre aussi en forte augmentation, dont dans le nord-ouest du Pacifique[14].

Dans l'hémisphère nord, le bilan des entrées de ces deux éléments dans les couches supérieures de l'océan est clairement acidifiant.

Sous les tropiques, il est initialement plutôt basique, mais in fine acidifiant en raison du taux de transformation de l'ammoniac en nitrate dans l'écosystème[13]. Sur la planète, le bilan final est presque partout acidifiant et il réduit sur les littoraux la quantité de CO₂ que l'océan peut dissoudre.

Ailleurs, on a constaté que dans des parties oligotrophes (pauvres en éléments nutritifs) de l'océan certaines cyanobactéries fixatrices d'azote et responsables de blooms bactériens, comme celles du genre Trichodesmium profitent du taux accru de CO₂ et deviennent l'origine d'une partie importante de la productivité primaire de l'océan, au détriment des espèces animales à coquille ou squelette calcaire. Là, une forte augmentation de la fixation de carbone et d'azote est constatée (traduite dans le rapport C/N[15]. En Baltique et dans l'estuaire australien de Peel-Harvey, une microalgue filamenteuse (Nodularia spumigena) se comporte de la même manière[16] - [17]. Au niveau de 750 ppmv de CO₂, les taux de fixation de CO₂ ont augmenté de 15 à 128 % et des taux de fixation de N₂ ont augmenté de 35-100 % par rapport aux tarifs en conditions actuelles de CO₂ de jour[18]. Le caractère « hétérocyste » ou « non hétérocyste » de l'espèce pourrait expliquer certaines adaptation ou tolérance à l'acidification de l'eau[17].

Dans le cycle de l'azote[19], l'azote anthropique (NOx), avec les oxydes de soufre atmosphériques contribue à l'acidification des mers[13]. Et cette acidification diminue les capacités de nitrification des écosystèmes marins[20]. La part anthropique de l'azote[21] est en augmentation presque partout dans l'hémisphère nord et dans une partie de l'hémisphère sud.

Les apports terrigènes d'azote et de phosphore des cours d'eau à l'Atlantique Nord ont été mesurés pour 14 grandes régions d'Amérique du Nord et du Sud, d'Europe, d'Afrique : le bassin amazonien domine le flux global de phosphore (c'est aussi le flux le plus élevé de phosphore par unité de surface) mais il est maintenant dépassé en termes de flux total d'azote par les bassins versants du nord-est des États-Unis, qui dépassent tous 1 000 kg d'azote par km²/an[21].

Le flux azote déversé dans Atlantique-Nord par chaque bassin versant est corrélé à la densité de population du bassin (comme cela avait déjà été observé pour les flux de nitrate de grands fleuves du monde) ; les auteurs de cette étude jugent « frappante » la forte corrélation linéaire entre les flux d'azote total et la somme des apports d'azote d'origine anthropique dans les régions tempérées (engrais, dépôts atmosphériques des NOx anthropiques, fixation par les légumineuses, et importation/exportation d'azote via les produits agricoles). Les fleuves des grandes régions étudiées exportent en mer environ 25 % de l'azote qui a été introduit par l'humain dans les écosystèmes (le reste étant éliminé par dénitrification dans les écosystèmes humides et aquatiques qui semblent être le puits d'azote dominant ; mais la forêt semble aussi avoir de l'importance en termes de stockage/pompage de l'azote[21]. Les eaux souterraines en stockent et dénitrifient un peu et localement, mais sont un « très petit puits d'azote » à l'échelle des continents.

L'agriculture est principalement responsable dans de nombreuses régions (dans le bassin du Mississippi et les bassins de la mer du Nord notamment), et les retombées de NOx sont la première cause d'exportation d'azote vers la mer dans plusieurs régions (dont au nord-est des États-Unis).

Si l'on considère les zones peu anthropisées comme référence, les auteurs estiment que le flux d'azote terre → mer a – dans presque toutes les régions tempérées – augmenté de 2 à 20 fois (selon les régions) de l'époque préindustrielle au début du XXI^e siècle. Seules quelques régions (ex : Grand-Nord Canadien) ont peu changé de ce point de vue[21].

Les bassins de zone tempérée alimentant la mer du Nord, y apportent 6 à 20 fois plus d'azote qu'au début de l'ère industrielle, et le bassin de l'Amazone au moins 2 à 5 fois plus que les flux estimés à partir des régions de la zone tempérée « intacte », malgré la densité de la population et ses faibles apports directs d'azote d'origine anthropique dans la région. Ceci suggère que les flux d'azote naturels ou causés par la déforestation tropicale peuvent être significativement plus élevé qu'en zone tempérée[21]. Comme la déforestation, l'artificialisation des sols et les apports d'engrais se poursuivent en zone tropicale, les auteurs s'attendent à une « spectaculaire augmentation de la charge d'azote de nombreux systèmes fluviaux tropicaux »[21].

Ces espèces pourraient gravement souffrir de l'acidification, combinée au réchauffement[22], les coraux sont un habitat essentiel pour environ 25 % de la vie océanique[23].

Une étude récente a confirmé que le squelette du corail est bien bioconstruit par l'animal[24] à partir de nanoparticules amorphes collectées dans l'eau et agrégées en structures aragoniques grâce à un groupe de protéines riches en acides coralliens et non par simple précipitation inorganique de l'aragonite autour d'un noyau minéral. Ces protéines peuvent a priori fonctionner à des pH un peu plus acides que le pH actuel de l'eau de mer[23] mais - précisent les auteurs - « cela ne signifie pas que les récifs coralliens sont hors de danger ; premièrement car ils ont encore besoin de carbonate de calcium pour constituer le récif (matériau qui devrait être plus rare dans une mer acidifiée) ; deuxièmement car ils resteront toujours menacés par le réchauffement de l'eau et les proliférations algales qui peuvent conduire au blanchissement des coraux et à leur mort ».[23].

Déterminer précisément la contribution de l'acidification au recul des récifs coralliens est « difficile, voire impossible, en raison d'effets de confusion d'autres facteurs environnementaux tels que la température »[25].

En 2016, la revue Nature publie le résultat d'une expérience in situ de réduction de l'acidité de l'eau baignant un récif corallien (au niveau de l'ère préindustrielle) : la calcification du récif a significativement augmenté dans la zone de l'expérimentation. Selon Janice M. Lough[26], ceci laisse supposer que le niveau actuel de l'acidification des océans « peut déjà compromettre la croissance des récifs coralliens »[27].

Des chercheurs de l'Institut Alfred Wegener en Allemagne ont compilé 167 études scientifiques concernant 150 espèces marines (des coraux aux poissons en passant par les crustacés). Ils concluent de ce travail que « tous les groupes d'animaux sont négativement affectés par l'augmentation de la concentration en CO₂ » ; les plus sensibles à l'acidification sont « les coraux, les échinodermes et les mollusques » précise le Dr. Astrid Wittmann. « Les crustacés comme le crabe comestible ou l'araignée de mer semblent peu affectés par l'acidification, même si une hausse simultanée des températures leur sera certainement problématique »[28].

De nombreux organismes planctoniques à squelette calcaire ou d'autres animaux à coquille calcaire (et en particulier leurs larves) ont aussi des difficultés à synthétiser leur thèque, planctonique ou coquille[29].

Le dioxyde de carbone absorbé dans l'océan réagit avec les molécules d'eau pour former de nombreux ions tel que l'hydrogénocarbonate (équivalent au bicarbonate). La formation de ces ions réduit la concentration en ions carbonates qui sont nécessaires à la formation de carbonate de calcium. Or le carbonate de calcium est nécessaire à la calcification des coraux (et des coquillages). Cette réaction chimique empêche donc la formation normale des coraux et des coquilles[30].

Une étude sur les effets de l'acidification en Antarctique chez les ptéropodes (ou papillons de mer) montre qu'à partir d'une certaine acifification de l'eau, les individus meurent (en à peine quarante-huit heures[31]), or ces animaux sont à la base du réseau trophique dans cette région et comme certaines algues (coccolithes) qui sécrètent des coquilles à base de calcium, ils jouent un rôle important dans le cycle du carbone.

De jeunes coraux australiens cultivé dans des conditions de température et de taux de CO₂ telles qu'attendues pour 2100 montrent une moindre croissance squelettique, mais ils développent aussi différents types de malformations du squelette qui compromettraient leur chance de survie et de bonne croissance sur le récif[32] - [33].

D’autres travaux menés en Papouasie-Nouvelle-Guinée montrent, dans des conditions d’acidité semblables une forte prolifération des algues non calcaires et une réduction d’environ 40 % de la biodiversité des coraux. Or, comme le note le rapport, les récifs coralliens sont actuellement une source de revenus indirecte pour environ 400 millions de personnes, vivant majoritairement en zone tropicale[34].

L'acidité des océans aurait augmenté de 30 % environ depuis le début de la révolution industrielle. Ceci correspond à une chute de 0,1 du pH, pour atteindre 8,1 ou 8,14 selon les sources aujourd'hui (les océans sont ainsi alcalins et non acides, leur pH se situant au-dessus de 7)[35] - [36].

La diminution du pH des eaux de surface de l’océan et l'augmentation de la pression partielle de CO₂ (pCO₂) se font à des vitesses différentes selon les régions, mais elles sont déjà détectées in situ depuis plusieurs décennies[6] dans de grandes régions subpolaires aux zones subtropicales et tropicales[6]. Les variations les plus extrêmes figurent dans les séries chronologiques enregistrées dans les zones subpolaires, ce qui s'explique par le fait que les différences saisonnières de température et de productivité biologique y sont les plus marquées[6].

Sur la base des prévisions du GIEC (ou IPCC en anglais), l'augmentation actuelle du taux de CO₂ dans l’atmosphère devrait encore diminuer le pH des eaux du globe de 8,14 actuellement à 7,8 d'ici la fin du siècle[37]. Un rapport du PNUE fait part d'une diminution du pH de 0,3 d'ici 2100, tandis qu'un communiqué de presse du CNRS avance une baisse de 0,4[38] - [39].

En 2014, le rapport sur les effets de l'acidification des océans sur la biologie marine (synthétisant une centaine d'études sur ce thème), présenté à la 12^e réunion de la Convention sur la diversité biologique (CDB) à Pyeongchang (Corée du Sud) confirme que l'acidification a progressé (en moyenne de 26 % depuis l'époque préindustrielle) et que si, depuis deux siècles, l'océan a absorbé plus du quart du CO₂ anthropique, contribuant à acidifier le milieu océanique, « de façon quasiment inévitable, d'ici 50 à 100 ans, les émissions de dioxyde de carbone vont encore augmenter l'acidité des océans à des niveaux qui auront des impacts massifs, le plus souvent négatifs, sur les organismes marins et les écosystèmes, ainsi que sur les biens et les services qu'ils fournissent »[40]. « De nombreuses études montrent une réduction des taux de croissance et de survie des coraux, mollusques et échinodermes [étoiles de mer, oursins, concombres de mer, etc.]. » Certaines espèces supporteront mieux l'acidification que d'autres. Certaines subiront une dégradation de leurs systèmes sensoriels induisant des anomalies de comportement (poissons, certains invertébrés)[40]. Les cycles biogéochimiques du carbone, de l'azote du fer et du calcium en seront affectés, dans les habitats côtiers plus qu'en haute mer et plus vite en Arctique qu'en Antarctique (plus froid)[40]. « Le coût global des impacts de l'acidification des océans sur les mollusques et les récifs coralliens tropicaux est estimé à plus de 1000 milliards de dollars par an d'ici la fin du siècle[40]. » Des phénomènes d'acidification ont déjà eu lieu, dont au Paléocène-Éocène (il y a 56 millions d'années), mais il semble aujourd'hui trop rapide pour qu'un grand nombre d'espèces puisse s'y adapter. « Même si les émissions de CO₂ sont réduites de manière significative, l'acidification des océans se poursuivra durant des dizaines de milliers d'années, les modifications considérables pour les écosystèmes, et la nécessité d'apprendre à vivre avec ces changements semblent donc certains »[40].

2018 et 2019 ont connu des records de réchauffement des eaux entre 0 et 2 000 mètres[41], les dix dernières années étant les dix plus chaudes jamais enregistrées dans l’océan. 2019 a aussi connu un nouveau record d'absorption nette de CO₂ par l'océan pour la période de 1982 à 2019 : ~ 2,4 Pg C, soit u+0,2 Pg C par rapport à 2018, ce qui poursuit une tendance amorcée en 2000-2002 et a aggravé l'acidification des océans (pH diminuant dans la plus grande partie de l'océan, surtout dans ses eaux les plus froides : 0,018 ± 0,004 unité par décennie depuis la période préindustrielle)[41].

En perturbant et dégradant certains écosystèmes (coralliens notamment[42]), l'acidification des mers dégrade d'importants services écosystémiques et de manière générale tous les écosystèmes.

Elle met en péril de nombreuses espèces[42] - [43] - [44].

En affectant les animaux à coquilles, l’acidification peut conduire à une dégradation de la qualité de l'eau et des sédiments, faute d'animaux filtreurs tels que les moules et les huîtres[45] qui filtrent et nettoient quotidiennement de grands volumes d'eau[46].

Certains oursins se montrent sensibles à de faibles baisses de pH (proches de celles qui sont attendues d'ici quelques décennies), qui dégradent leurs capacités de reproduction[47].

L'Allemagne a lancé le 1^er septembre 2009 un programme national de recherche sur l'acidification des océans (BIOACID[79] pour « biological impacts of ocean acidification ») avec 8,5 millions d'euros sur 3 ans (dont 2,5 millions pour le Leibniz-Institut für Meereswissenschaften de Kiel qui coordonne le programme) apportés par le Ministère fédéral de l'enseignement et de la recherche (BMBF). Dès 2009, plus de 100 chercheurs (biologistes, chimistes, physiciens, paléontologues, mathématiciens, etc.) venant de 14 instituts y contribueront, ainsi qu'une entreprise en pointe dans la technologie des capteurs. Le programme portera sur la mer du Nord et la Baltique, ainsi que sur des zones polaires ou tropicales particulièrement vulnérables à l'acidification.

Des partenariats avec d'autres pays sont prévus, dont avec les scientifiques anglais du programme de recherche sur l'acidification des mers (« UKOA ») lancé en 2010[80], les États-Unis et l'Union européenne (don avec le programme « EPOCA »). Selon ses initiateurs, c'est le premier programme de cette importance dans le monde[81].

Une des difficultés est de mieux comprendre les effets synergiques qui existent entre l'acidification, la montée en température, les zones d'anoxies et d'autres modifications anthropiques des milieux, qui pourraient aggraver et/ou accélérer les changements globaux[82].

Des recherches sur les impacts de cette acidification montrent que plus le taux d'acidification est important, plus les espèces ayant des coquilles (plancton microscopique à la base de la chaîne alimentaire, coquillages, mollusques ou coraux) ont des difficultés à les fabriquer[83]. L'acidification modifie également le comportement des poissons, concernant la capacité à rechercher des proies ou à échapper un prédateur, et des recherches se poursuivent afin d'en connaître la raison[84].

Le nord de l'océan Indien est devenu au moins 10 % plus acide que les océans Atlantique et Pacifique, en raison de sa configuration géographique. L'océan Indien est en effet séparé de l'océan Arctique, et la chimie du nord de son bassin est influencée par les rivières qui drainent l'important continent eurasien, ainsi que par les pluies de mousson.

Le pH des océans varie davantage dans les eaux froides de Sibérie, d'Alaska, du Pacifique Nord-Ouest et de l'Antarctique. Au printemps et en été, les impressionnants blooms planctoniques absorbent une partie du CO₂ présent dans l'eau, faisant diminuer l'acidité. Au contraire, en hiver, l'acidité augmente à cause des remontées d'eaux riches en CO₂ des profondeurs océaniques.