Le JOIDES Resolution ressemble à un hybride bizarre entre une plate-forme pétrolière et un cargo. Il s’agit en fait d’un navire de recherche que les océanologues utilisent pour déterrer les sédiments du fond de la mer. En 2003, lors d’un voyage dans le sud-est de l’Atlantique, les scientifiques à bord du JOIDES Resolution ont ramené un butin particulièrement étonnant.
Ils avaient foré dans des sédiments qui s’étaient formés au fond de la mer au cours de millions d’années. Le sédiment le plus ancien dans la foreuse était blanc. Il avait été formé par les coquilles de carbonate de calcium d’organismes unicellulaires – le même type de matériau qui constitue les falaises blanches de Douvres. Mais lorsque les scientifiques ont examiné les sédiments qui s’étaient formés il y a 55 millions d’années, la couleur a changé en un clin d’œil géologique.
« Au milieu de ce sédiment blanc, il y a ce gros bouchon d’argile rouge », explique Andy Ridgwell, un spécialiste des sciences de la terre à l’université de Bristol.
En d’autres termes, les vastes nuages de créatures à coquilles des océans profonds avaient pratiquement disparu. De nombreux scientifiques s’accordent aujourd’hui à dire que ce changement a été provoqué par une chute drastique du pH de l’océan. L’eau de mer est devenue si corrosive qu’elle a rongé les coquilles, ainsi que d’autres espèces dont le corps contient du carbonate de calcium. Il a fallu des centaines de milliers d’années pour que les océans se remettent de cette crise, et pour que les fonds marins passent du rouge au blanc.
L’argile que l’équipage du JOIDES Resolution a draguée pourrait être un avertissement inquiétant de ce que l’avenir nous réserve. En crachant du dioxyde de carbone dans l’air, nous rendons une fois de plus les océans plus acides.
Le stockage du CO2 dans les océans a un coût élevé : il modifie la chimie de l’eau de mer.
Aujourd’hui, Ridgwell et Daniela Schmidt, également de l’Université de Bristol, publient une étude dans la revue Natural Geoscience, comparant ce qui s’est passé dans les océans il y a 55 millions d’années à ce que les océans connaissent aujourd’hui. Leur étude confirme ce que d’autres chercheurs soupçonnent depuis longtemps : L’acidification de l’océan aujourd’hui est plus importante et plus rapide que tout ce que les géologues ont pu trouver dans les archives fossiles au cours des 65 derniers millions d’années. En effet, sa vitesse et sa force – les Ridgwell estiment que l’acidification actuelle des océans se déroule à un rythme dix fois supérieur à celui qui a précédé l’extinction de masse il y a 55 millions d’années – pourraient sonner le glas pour de nombreuses espèces marines, en particulier celles qui vivent dans les profondeurs de l’océan.
« C’est un événement géologique presque sans précédent », dit Ridgwell.
Lorsque nous, les humains, brûlons des combustibles fossiles, nous rejetons du dioxyde de carbone dans l’atmosphère, où ce gaz piège la chaleur. Mais une grande partie de ce dioxyde de carbone ne reste pas dans l’air. Au lieu de cela, il est aspiré dans les océans. Sans les océans, les climatologues pensent que la planète serait beaucoup plus chaude qu’elle ne l’est aujourd’hui. Même avec l’absorption massive de CO2 par les océans, la dernière décennie a été la plus chaude depuis le début des enregistrements modernes. Mais le stockage du dioxyde de carbone dans les océans peut avoir un coût élevé : il modifie la chimie de l’eau de mer.
À la surface de l’océan, l’eau de mer a généralement un pH d’environ 8 à 8,3 unités de pH. À titre de comparaison, le pH de l’eau pure est de 7, et celui de l’acide gastrique est d’environ 2. Le niveau de pH d’un liquide est déterminé par le nombre d’atomes d’hydrogène chargés positivement qui y flottent. Plus il y a d’ions hydrogène, plus le pH est faible. Lorsque le dioxyde de carbone pénètre dans l’océan, il fait baisser le pH en réagissant avec l’eau.
Le dioxyde de carbone que nous avons mis dans l’atmosphère depuis la révolution industrielle a fait baisser le pH de l’océan de 0,1. Cela peut sembler minuscule, mais ça ne l’est pas. L’échelle du pH est logarithmique, ce qui signifie qu’il y a 10 fois plus d’ions hydrogène dans un liquide de pH 5 que dans un liquide de pH 6, et 100 fois plus que dans un liquide de pH 7. Par conséquent, une baisse de seulement 0,1 unité de pH signifie que la concentration d’ions hydrogène dans l’océan a augmenté d’environ 30 % au cours des deux derniers siècles.
Pour voir comment l’acidification des océans va affecter la vie dans l’océan, les scientifiques ont mené des expériences en laboratoire dans lesquelles ils élèvent des organismes à différents niveaux de pH. Les résultats sont inquiétants, en particulier pour les espèces qui construisent leur squelette à partir de carbonate de calcium, comme les coraux et les organismes de type amibe appelés foraminifères. L’hydrogène supplémentaire dans l’eau de mer à faible pH réagit avec le carbonate de calcium, le transformant en d’autres composés que les animaux ne peuvent pas utiliser pour construire leurs coquilles.
Ces résultats sont inquiétants, non seulement pour les espèces particulières que les scientifiques étudient, mais aussi pour les écosystèmes dans lesquels elles vivent. Certaines de ces espèces vulnérables sont cruciales pour des écosystèmes entiers dans l’océan. Les petits organismes qui construisent des coquillages servent de nourriture aux invertébrés, tels que les mollusques et les petits poissons, qui à leur tour servent de nourriture aux grands prédateurs. Les récifs coralliens créent une forêt tropicale sous-marine, berceau d’un quart de la biodiversité de l’océan.
Mais à elles seules, les expériences de laboratoire qui durent quelques jours ou quelques semaines peuvent ne pas dire aux scientifiques comment l’acidification des océans affectera la planète entière. « Il n’est pas évident de savoir ce qu’elles signifient dans le monde réel », dit Ridgwell.
Une façon d’obtenir plus d’informations est d’examiner l’histoire des océans eux-mêmes, ce que Ridgwell et Schmidt ont fait dans leur nouvelle étude. À première vue, cette histoire pourrait suggérer que nous n’avons rien à craindre. Il y a cent millions d’années, il y avait cinq fois plus de dioxyde de carbone dans l’atmosphère et le pH de l’océan était inférieur de 0,8 unité. Pourtant, il y avait beaucoup de carbonate de calcium pour les foraminifères et d’autres espèces. C’est à cette époque, en fait, que les organismes marins constructeurs de coquillages ont produit les formations calcaires qui deviendront les falaises blanches de Douvres.
Mais il y a une différence cruciale entre la Terre il y a 100 millions d’années et aujourd’hui. A cette époque, les concentrations de dioxyde de carbone évoluaient très lentement sur des millions d’années. Ces changements lents ont déclenché d’autres changements lents dans la chimie de la Terre. Par exemple, lorsque la planète s’est réchauffée en raison de l’augmentation du dioxyde de carbone, l’augmentation des précipitations a entraîné davantage de minéraux des montagnes vers l’océan, où ils ont pu modifier la chimie de l’eau de mer. Même à faible pH, l’océan contient suffisamment de carbonate de calcium dissous pour que les coraux et d’autres espèces puissent survivre.
Aujourd’hui, cependant, nous inondons l’atmosphère de dioxyde de carbone à un rythme rarement vu dans l’histoire de notre planète. Les rétroactions météorologiques de la planète ne pourront pas compenser la chute soudaine du pH avant des centaines de milliers d’années.
Les scientifiques ont parcouru les archives fossiles pour trouver des périodes de l’histoire qui pourraient offrir des indices sur la façon dont la planète réagira à la secousse actuelle du carbone. Ils ont découvert qu’il y a 55 millions d’années, la Terre a connu un changement similaire. Lee Kump, de Penn State, et ses collègues ont estimé qu’environ 6,8 trillions de tonnes de carbone ont pénétré dans l’atmosphère terrestre sur environ 10 000 ans.
Personne ne peut dire avec certitude ce qui a libéré tout ce carbone, mais il semble que cela ait eu un effet drastique sur le climat. Les températures ont augmenté entre 5 et 9 degrés Celsius (9 à 16 Fahrenheit). De nombreuses espèces d’eau profonde se sont éteintes, probablement parce que le pH de l’océan profond est devenu trop faible pour qu’elles puissent survivre.
Mais cette ancienne catastrophe (connue sous le nom de maximum thermique du Paléocène-Éocène, ou PETM) n’était pas un préquel parfait à ce qui se passe sur Terre aujourd’hui. La température était plus élevée avant l’explosion de la bombe à carbone, et le pH des océans était plus bas. La disposition des continents était également différente. Les vents soufflaient donc selon des schémas différents, entraînant les océans dans des directions différentes.
Tous ces facteurs font une grande différence sur l’effet de l’acidification des océans. Par exemple, l’effet que le faible pH a sur les organismes qui construisent le squelette dépend de la pression et de la température de l’océan. En dessous d’une certaine profondeur dans l’océan, l’eau devient si froide et la pression si élevée qu’il n’y a plus de carbonate de calcium pour les organismes qui construisent les coquillages. Ce seuil est connu comme l’horizon de saturation.
Notre civilisation alimentée par le carbone affecte la vie partout sur Terre – même dans les profondeurs sous-marines.
Pour faire une comparaison significative entre le PETM et aujourd’hui, Ridgwell et Schmidt ont construit des simulations à grande échelle de l’océan aux deux moments. Ils ont créé une version virtuelle de la Terre il y a 55 millions d’années et ont laissé la simulation fonctionner jusqu’à ce qu’elle atteigne un état stable. Le niveau de pH de leur océan simulé se situait dans la fourchette des estimations du pH de l’océan réel il y a 55 millions d’années. Ils ont ensuite construit une version de la Terre moderne, avec la disposition actuelle des continents, la température moyenne et d’autres variables. Ils ont laissé le monde moderne atteindre un état stable, puis ont vérifié le pH de l’océan. Une fois de plus, il correspondait au pH réel trouvé dans les océans aujourd’hui.
Ridgwell et Schmidt ont ensuite secoué ces deux océans simulés avec des injections massives de dioxyde de carbone. Ils ont ajouté 6,8 trillions de tonnes de carbone sur 10 000 ans à leur monde PETM. En utilisant des projections prudentes des futures émissions de carbone, ils ont ajouté 2,1 trillions de tonnes de carbone en quelques siècles seulement à leur monde moderne. Ridgwell et Schmidt ont ensuite utilisé le modèle pour estimer avec quelle facilité le carbonate se dissoudrait à différentes profondeurs de l’océan.
Les résultats étaient étonnamment différents. Ridgwell et Schmidt ont constaté que l’acidification des océans se produit environ dix fois plus vite aujourd’hui qu’il y a 55 millions d’années. Et si l’horizon de saturation est passé à 1 500 mètres il y a 55 millions d’années, il passera à 550 mètres en moyenne d’ici 2150, selon le modèle.
Le PETM était assez puissant pour déclencher des extinctions généralisées dans les océans profonds. Les changements plus rapides et plus importants que connaît aujourd’hui l’océan pourraient bien entraîner une nouvelle vague d’extinctions. Les paléontologues n’ont pas trouvé de signes d’extinctions majeures de coraux ou d’autres espèces à base de carbonate dans les eaux de surface autour du PETM. Mais l’acidification actuelle des océans étant beaucoup plus forte, elle pourrait également affecter la vie dans les eaux peu profondes. « Nous ne pouvons pas dire des choses avec certitude sur les impacts sur les écosystèmes, mais il y a beaucoup de raisons de s’inquiéter », dit Ridgwell.
Ellen Thomas, paléocéanographe à l’Université de Yale, dit que le nouveau document « est très significatif pour nos idées sur l’acidification des océans ». Mais elle souligne que la vie dans l’océan a été secouée par plus qu’une simple baisse du pH. « Je ne suis pas convaincue qu’il s’agisse de la seule solution », dit-elle. La température de l’océan a augmenté et les niveaux d’oxygène ont chuté. Tous ces changements ont eu des effets complexes sur la biologie de l’océan il y a 55 millions d’années. Les scientifiques doivent maintenant déterminer le type d’effet combiné qu’ils auront sur l’océan à l’avenir.
Notre civilisation alimentée par le carbone affecte la vie partout sur Terre, selon les travaux de scientifiques comme Ridgwell – même la vie qui habite à des milliers de pieds sous l’eau. « La portée de nos actions peut vraiment être très globale », dit Ridgwell. Il est tout à fait possible que les sédiments océaniques qui se forment au cours des prochains siècles passent du blanc du carbonate de calcium à l’argile rouge, à mesure que l’acidification des océans anéantit les écosystèmes des profondeurs.
« Cela donnera aux gens des centaines de millions d’années à venir quelque chose pour identifier notre civilisation », dit Ridgwell.