L'océan, puits de carbone à l'avenir incertain

Publié par Adrien le 13/07/2021 à 09:00
Source: Marie Perez - CNRS INSU
L'océan est un important puits de carbone, capable de capturer le CO2 atmosphérique grâce au couplage de deux phénomènes, physique et biologique. Il séquestre ainsi près de 30 % du CO2 émis par les humains. De nombreux aspects du processus biologique, très complexe, restent méconnus et les scientifiques tentent d'en percer les secrets grâce à des campagnes océanographies et le déploiement d'instruments autonomes. Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...), difficile pour eux de prédire comment le changement climatique va influencer cette pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) à carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) et quels effets cela aura sur le cycle global du carbone. Plongeons dans leurs découvertes et leurs interrogations.

Physique et biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) travaillent main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à...) dans la main

L'océan (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par...) capte et stocke le CO2 atmosphérique grâce à deux processus: l'un physique, l'autre biologique. Le premier fonctionne grâce à la solubilité du CO2 dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...). Le CO2 atmosphérique se dissout naturellement dans l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau...) et cette dissolution est favorisée à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...). L'eau froide étant plus dense, elle plonge, emportant avec elle le CO2 dissous. Le deuxième processus s (Le processus S (avec S pour slow, lent en anglais) est un processus de nucléosynthèse de capture...)'appuie sur la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et...) réalisée par le phytoplancton. Ces algues microscopiques absorbent le CO2 de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) et le transforment en matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par...) et en dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2,...) (O2) grâce à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...). Lorsqu'elles meurent, une partie s'exporte vers le fond de l'océan, séquestrant ainsi le carbone dans les profondeurs. "On entend souvent dire que les forêts représentent un puits de carbone majeur. Mais l'océan aussi, grâce à la 'forêt (Une forêt ou un massif forestier est une étendue boisée, relativement dense,...) de la mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.)' que constitue le phytoplancton. Et alors que les forêts prennent très longtemps à se régénérer, la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces...) algale se reforme en quelques jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...)", rappelle Cécile Guieu, chercheuse au Laboratoire d'Océanographie (L’océanographie (de « océan » et du grec γρ?φειν...) de Villefranche (LOV).


Cette diatomée (taille: 200 µ) est une algue unicellulaire microscopique du phytoplancton.
© Claude CARRE/CNRS Photothèque

Au final, près de 30 % des émissions de CO2 que l'Homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo...) produit sont capturés par l'océan. "Mais c'est uniquement grâce au processus physique que cet excédent de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) carbonique est absorbé, explique Stéphane Blain, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) au Laboratoire d'Océanographie Microbienne (LOMIC). En effet, le phytoplancton n'a pas bénéficié de l'excès de CO2 produit par les activités humaines et la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de CO2 piégée par le processus biologique reste donc inchangée." Dans le contexte du changement climatique, réaliser un bilan carbone pour décrire la capacité de l'océan à absorber le CO2, aujourd'hui et à l'avenir, est un enjeu de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) majeur.

Le très mystérieux processus biologique

Le processus physique est relativement bien connu depuis de nombreuses d'années car il implique essentiellement deux paramètres: la température et la salinité. Ceux-ci sont responsables de la circulation thermohaline (La circulation thermohaline est la circulation permanente à grande échelle de l'eau des océans...), le circuit que l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.) emprunte pour se déplacer à travers le globe.


Schéma de la circulation thermohaline mondiale

Au contraire, le processus biologique reste encore très compliqué à décrire pour plusieurs raisons. Déjà, car il implique beaucoup plus de paramètres que le processus physique. Ensuite, "parce que l'état de l'océan n'est plus statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut...) à cause du changement climatique, comme le souligne Cécile Guieu. On étudie un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) en évolution permanente sans connaitre la vitesse (On distingue :) de modification des processus, comme par exemple l'intensification de la stratification liée au réchauffement qui va réduire les apports nutritifs des couches profondes de l'océan vers la couche éclairée." Enfin, car, comme l'explique Fabrizio D'Ortenzio, chercheur au Laboratoire d'Océanographie de Villefranche, "l'océan est un objet très vaste - il recouvre 70 % de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...) - et unique - les changements qui ont lieu à un endroit se répercutent partout. Ainsi, le phytoplancton est en permanence soumis à des modifications de son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) proche qui ont parfois des causes à l'autre bout de la planète. Avoir une vision d'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des connexions entre la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) de l'océan et celle du phytoplancton est donc primordiale".

Cette vision d'ensemble de l'océan est possible depuis l'espace: un satellite (Satellite peut faire référence à :) en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) polaire observe, en 24 heures (L'heure est une unité de mesure  :), la totalité de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) océanique avec une résolution d'environ 1 km. Avec une telle résolution, on peut déterminer la concentration en chlorophylle1 et même celle des différentes espèces de phytoplancton.

Mais le satellite n'est pas capable de voir ce qu'il se passe sous la surface de l'eau. Pour cela, l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) de terrain reste obligatoire et elle est généralement effectuée à partir de navires océanographiques, infrastructures par excellence des océanographes. Afin de multiplier les observations, les scientifiques ont commencé, il y a quelques années, à déployer des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) autonomes un peu partout: sur les navires de commerce, sur les animaux marins, sur des flotteurs ou des planeurs sous-marins etc.

"Ces instruments autonomes avaient déjà fait leurs preuves pour la météo et la physique de l'océan. Aujourd'hui, nous sommes à un tournant de la recherche océanographique car ils commencent également à nous fournir des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) biogéochimiques !", assure Fabrizio D'Ortenzio. Il concède toutefois qu'il n'a jamais autant embarqué à bord des bateaux que depuis qu'il s'occupe de ces robots qui ont besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) de surveillance et de maintenance. De plus, l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) par navire (Un navire est un bateau destiné à la navigation maritime, c'est-à-dire prévu...) reste indispensable car le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) des paramètres échantillonnables par robot (Un robot est un dispositif mécatronique (alliant mécanique, électronique et...) est encore très limité.


Le réseau international Argo (Dans la mythologie grecque, Argo (en grec ancien Αργ? / Arg?) était le nom du...) est constitué de près de 4000 flotteurs profilants autonomes qui mesurent en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) réel la température et la salinité depuis la surface jusqu'à 2 000 mètres de profondeur sur l'ensemble des océans.
© Ifremer - Olivier DUGORNAY

Le fer, un élément clé de la pompe biologique

Le phytoplancton ayant besoin de lumière pour vivre, il se trouve uniquement dans la couche éclairée de l'océan. La profondeur de celle-ci varie selon la turbidité de l'eau: là où l'eau est très claire, elle atteint environ 100 mètres, pour une eau très trouble, elle peut s'arrêter à 20 mètres. La présence de phytoplancton dépend aussi des apports en éléments nutritifs. Les deux éléments essentiels à son développement sont l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) et le phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et...). Un certain nombre de métaux, en particulier le fer, sont, quant à eux, indispensables aux processus enzymatiques. Il y a donc une grosse variabilité spatiale de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de phytoplancton à travers le monde (Le mot monde peut désigner :). Celle-ci varie également en fonction des saisons.

Cécile Guieu étudie l'impact des sources externes en éléments nutritifs, en particulier le fer, sur l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) planctonique. Stéphane Blain travaille sur le cycle du carbone dans l'océan et son interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) avec le cycle du fer. "On s'intéresse au fer océanique depuis à peine 30 ans, précise-t-il. L'intérêt pour cet élément a été stimulé indirectement par une idée de géo-ingénierie2: injecter du fer dans l'océan pour augmenter la quantité de phytoplancton et activer davantage la pompe biologique. Heureusement, cela n'est actuellement pas sérieusement envisagé car ni l'efficacité, ni les effets secondaires d'une telle manipulation ne sont connus.".

Les études pour approfondir les connaissances sur la pompe biologique de CO2 reposent largement sur des campagnes océanographiques "On essaie de trouver des endroits 'intelligents' où effectuer les prélèvements, explique Stéphane Blain. La région des îles Kerguelen est propice car elle est naturellement fertilisée en fer et peut être comparée au reste de l'Océan Austral (L'océan Austral ou océan Antarctique ou océan glacial Antarctique est l'étendue d'eau qui...), très pauvre en fer."

L'Océan Austral, un cas à part

L'Océan Austral est l'océan qui entoure l'Antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus...). Il est en contact avec tous les océans du monde, à l'exception de l'Océan Arctique (L'océan Arctique, ou océan glacial Arctique, s'étend sur une surface de...). Les changements qui y ont lieu se répercutent donc partout ailleurs. A lui seul, il capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui...) environ 40 % du CO2 séquestré par l'ensemble des océans, ce qui en fait une région clé dans la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se...) du climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une...) et le cycle du carbone. L'Océan Austral est, par ailleurs, la plus vaste zone HNLC (high nutrient low chlorophyll) du monde. Ces régions océaniques sont pauvres en phytoplancton alors que les macronutriments (phosphate, nitrate (Les nitrates (autrefois nommés nitre, souvent synonyme de salpêtre) sont les sels de...), silicate) abondent. Ceci est dû au manque de micronutriments et en particulier de fer.

En 2019, l'expédition Tonga (Le royaume des Tonga est un État de Polynésie, dans l'océan Pacifique, à...), dans l'océan Pacifique (L'océan Pacifique, qui s'étend sur une surface de 180 000 000 km², est l'océan le...), permet une grande découverte. "On pensait que le fer consommé par le phytoplancton venait quasi-exclusivement des apports atmosphériques et, dans cette région très volcanique, l'hypothèse des aérosols volcaniques était dominante. Mais la découverte de sources hydrothermales peu profondes, à moins de 200 mètres sous la surface, pouvant alimenter en fer les eaux éclairées, remet en cause cette hypothèse", révèle Cécile Guieu qui a conduit l'expédition.

Les sources hydrothermales sont en lien avec l'activité volcanique du plancher océanique et sont particulièrement nombreuses dans les zones d'arc, comme l'Arc des Tonga, cible de cette expédition. Ces fluides hydrothermaux, émis peu profondément dans l'océan, contiennent des gaz et de nombreux éléments chimiques, dont le fer, qui peuvent alimenter la couche éclairée, siège de la photosynthèse. "Quand on travaille sur un sujet aussi complexe que l'océan, l'interdisciplinarité est clé. Durant l'expédition Tonga, océanographes et géophysiciens ont collaboré pour comprendre ce qu'ils voyaient sous l'eau", souligne Cécile Guieu.

Malgré l'importance de cette découverte, de nombreuses questions demeurent sur le lien entre le nombre et le fonctionnement de ces sources de fer, et leur impact sur le cycle du carbone à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...). Prochaine étape: coupler les mesures biogéochimiques3 à des observation in situ avec des caméras.


Source hydrothermale observée lors de la campagne Chubacarc en 2019.
© Ifremer

Le phytoplancton n'est pas le seul à avoir besoin de fer, il est convoité par l'ensemble des microorganismes marins et en particulier les bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées...). Ces dernières utilisent une partie de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande...) produite par le phytoplancton comme source de carbone et d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...). Lors de la respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet...), les bactéries transforment le carbone organique en CO2, agissant ainsi comme une sorte de contre-pompe à carbone. La respiration est un processus cellulaire qui requière du fer ; phytoplancton et bactéries peuvent donc, dans certaines conditions, être en compétition pour ce micronutriment.

Ingrid Obernosterer, chercheuse au Laboratoire d'Océanographie Microbienne, s'intéresse au rôle des bactéries dans le cycle biogéochimique du carbone et du fer. "On trouve des bactéries dans toute la colonne d'eau, de la surface jusqu'aux abysses, et il y en a environ un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de cellules bactériennes par millilitre d'eau, explique-t-elle. On connaît assez bien le rôle des bactéries, dans leur ensemble, dans le cycle des éléments, et plusieurs études démontrent la grande diversité des espèces. En revanche, le rôle spécifique de chaque espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type »...) reste encore largement méconnu, et ceci est particulièrement vrai pour le cycle du fer."

Pour étudier ce sujet, des prélèvements en mer sont nécessaires. Les expériences menées à bord permettent de déterminer la respiration bactérienne et donc le taux de production de CO2. Des prélèvements réalisés à plusieurs profondeurs permettent de concentrer les cellules bactériennes sur de filtres qui serviront, au retour en laboratoire, à l'extraction d'ADN et d'ARN. Leur séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des...)4 donne des informations sur les espèces présentes, ainsi que sur les gènes qui sont exprimés à un moment donné.

Grâce à ces expériences, Ingrid Obernosterer et ses collègues ont pu obtenir des résultats sur les différents types de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) de fer employés par les différentes espèces bactériennes. "L'enjeu est de combiner des données très complexes sur la diversité bactérienne d'un côté, et les différentes formes de carbone et de fer disponibles de l'autre. Dans ce contexte, le lien entre microbiologie (La microbiologie est une sous-discipline de la biologie basée sur l'étude des...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) et son impact sur les flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) de carbone océanique reste encore à explorer".

L'incertitude du changement climatique

Le changement climatique transforme l'océan mais, étant donné que de nombreux mécanismes restent encore mal connus voir inconnus, les prévisions sont extrêmement difficiles à faire. On sait que le réchauffement de l'océan pourrait réduire l'efficacité de la pompe physique puisque c'est l'eau froide qui absorbe davantage le CO2. Il pourrait également ralentir la circulation thermohaline. Si celle-ci venait à s'arrêter, le climat terrestre s'en retrouverait très perturbé.

"Aujourd'hui, les physiciens s'intéressent particulièrement aux structures océaniques de petite taille (10-100 km), explique Fabrizio d'Ortenzio. Comment vont-elles évoluer dans un contexte climatique en plein changement ? Vont-elles impacter la circulation thermohaline et comment ? Quelles rétroactions pourront-elles avoir sur le climat et les écosystèmes marins ?" Côté biologie, le réchauffement aura aussi des conséquences, mais lesquelles ? Par ailleurs, il n'est pas le seul phénomène à inquiéter les scientifiques. L'augmentation de l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) de CO2 provoque l'acidification des océans car lorsque le gaz carbonique se dissout dans l'eau de mer, il forme un acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions...) carbonique. Que ce soit pour la pompe physique ou biologique, l'avenir est incertain et seuls le travail des scientifiques et le développement de nouveaux instruments pourront nous aider à l'éclairer.

Notes:

1 La chlorophylle est un pigment (Un pigment est une substance colorée, naturelle ou artificielle, d'origine minérale ou...) qui donne aux plantes et aux algues leur couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) verte.

2 La géo-ingénierie est l'ensemble des techniques qui visent à manipuler et modifier le climat et l'environnement de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) à grande échelle afin de contrer le changement climatique.

3 Un cycle biogéochimique est le processus de transport et de transformation cyclique d'un élément entre les grands réservoirs que sont la géosphère, l'atmosphère et l'hydrosphère (L'hydrosphère est, de façon générale, l'enveloppe externe d'une planète ou d'un satellite qui...).

4 Le séquençage de l'ADN consiste à prendre un fragment d'ADN et à déterminer sa séquence. Celle-ci contient l'information nécessaire à l'organisme dont elle est issue pour survivre et se reproduire.
Cet article vous a plu ? Vous souhaitez nous soutenir ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis et/ou commentez-le, ceci nous encouragera à publier davantage de sujets similaires !
Page générée en 0.018 seconde(s) - site hébergé chez Contabo
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique