1. Réchauffement, acidification et désoxygénation des océans

Ampleur du réchauffement et de l’acidification des océans

L’atmosphère s’est réchauffée de 0,85° entre 1880 et 2012 et les 75 premiers mètres de l’océan de 0,11° par décennie entre 1971 et 2010 , alors que le niveau moyen de la mer s’est élevé de 20 cm depuis le début du XXe siècle [A, p 5 et 8] [I]. L’augmentation de plus de 40% de la concentration de CO₂ atmosphérique, passée de 280 ppm (parties par million) en 1750 à 400 ppm en 2015 et 403,3 ppm en 2016 [C1 et C2, page 4], a augmenté le CO₂ dissous sous forme d’acide carbonique dans l’océan, accroissant son acidité de 26 %, mesurée par son pH qui a diminué de 0,1, passant de 8,2 à 8,1 [B, p 50 et 131] [C] [1, page 8].

La pollution aggrave l’acidification et la désoxygénation des océans

De plus, le réchauffement des eaux de surface augmente la stratification de l’océan en isolant davantage les eaux froides profondes [II]. Cette diminution du mélange vertical de l’eau diminue sa ventilation et donc son oxygénation [III].

Cette désoxygénation des océans est aggravée près des côtes où les eaux, polluées par les activités humaines (agriculture, urbanisation, industrialisation…) et insuffisamment traitées, déversent dans la mer des eaux riches en nutriments. Ceci multiplie en surface le développement de phytoplancton et d’algues vertes qui, en mourant, augmentent encore cette matière organique qui se dépose dans les profondeurs où vivent des bactéries aérobies (qui ont besoin d’oxygène).

Nourries par ces dépôts, elles prolifèrent alors et consomment progressivement tout l’oxygène des eaux profondes [IV], tout en produisant également du CO₂ par respiration, qui aggrave leur acidité. Des zones mortes anoxiques, sans oxygène, apparaissent (voir figure ci-dessus) où les espèces animales meurent asphyxiées.

Le désastre des algues sargasses aux Antilles pourrait alerter sur ces dangers. D’après Frédéric Ménard, directeur du département scientifique Océans, climat et ressources à l’Institut de recherche pour le développement, ce phénomène est probablement lié à l’élévation des températures de l’eau, due au changement climatique, et aux nutriments charriés jusqu’à l’océan par les grands fleuves, en particulier ceux lessivés par les pluies sur les sols déforestés de l’Amazonie. A l’approche des côtes, les sargasses concentrées consomment trop d’oxygène et entraînent une mortalité importante de la faune [V].

En 2015, des chercheurs ont ainsi  montré que la pollution augmentait l’effet de l’acidification sur les écosystèmes marins [2].

Une accélération de l’acidification en Méditerranée

Les données recueillies à 1 mètre sous la surface en Méditerranée, à la station de Villefranche-sur-mer entre 2007 et 2015, indiquent une diminution significative du pH de 0,0028 unité par an, soit sept fois plus rapide que sa diminution de 0,1 en 250 ans (0,1/250 = 0,0004), avec une accélération de l’augmentation de sa température de 0,072°C par an. Ceci alors que la concentration de CO₂ atmosphérique augmente de plus en plus, son accroissement de 3,3 ppm [403,3 – 400 ppm] entre 2015 et 2016 étant son maximum jamais enregistré [C2, page 7]. Les chercheurs montrent, dans un article paru en 2017, que la modification du pH est à 60% liée à la quantité de CO₂ et à 40% à la température de l’eau [3].

2. Impacts actuels du réchauffement et de l’acidification des océans

Coraux, algues calcaires et mollusques

L’acidification de l’océan, par augmentation du CO₂ dissous et de l’acide carbonique, s’accompagne d’une baisse des carbonates de calcium, calcite et aragonite, essentiels pour l’édification et le maintien des squelettes des espèces planctoniques calcifiantes (coccolithophores (des algues calcaires) et foraminifères (des microorganismes)) et des coraux, des enveloppes minérales des oursins et des coquilles des mollusques : ptéropodes (escargots de mer dont se nourrissent saumons et autres poissons), moules et huîtres. La disponibilité de ces minéraux diminue, ils deviennent plus solubles et leur cristallisation entraîne une demande énergétique supplémentaire pour l’organisme, ce qui diminue d’autres fonctions vitales (reproduction, croissance…) [VI].

Le réchauffement et l’acidification des océans impactent particulièrement les moules et les huîtres des moyennes latitudes, les ptéropodes des hautes latitudes (voir figure ci-dessus ligne 2005-2014) [VII] [VIII] et l’épaisseur des coccolithophores en mer Méditerranée [4, p 4722-5].

Le blanchissement des coraux, provoqué par une élévation  prolongée de la température maximale estivale de 1 à 2° et qui manifeste leur dépérissement, s’est produit dans 7% des récifs de 1985 à 1994 et dans 38% d’entre eux de 1995 à 2004 d’après le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), [D, p 378], événements qui ont le potentiel d’en causer la mort de 50% [1, p 8].

L’acidification se rajoute à ces impacts, diminuant leur calcification et donc leur croissance. Un article réalisé in situ sur du corail en Australie confirme le déclin de la production de carbonate de calcium suite à l’acidification de l’océan [5].

Poissons et nombreux autres organismes marins

Le réchauffement des océans provoque une migration de nombreuses espèces de poissons et de mammifères marins pouvant atteindre 400 km par décennie [4, p 4722-4] affectant leur reproduction et la distribution des espèces [1, page 11 et 12].

En 2013, un rapport du Programme international sur la géosphère et la biosphère [PIGB] indiquait que des impacts de l’acidification des océans sur des espèces précises avaient été constatés dans le cadre d’études de terrain sur des organismes répartis des pôles aux tropiques, affectant négativement  de nombreux organismes marins : réduction de la survie, de la croissance, de l’abondance ainsi que du développement des larves [E, p 2].

Herbiers et algues

A l’inverse, des données indiquaient que certains organismes toléraient l’acidification et que d’autres, comme certains herbiers marins, pouvaient même en profiter [E, p 2].

Un article a compilé les nouvelles données enregistrées entre 2010 et 2015 apportant plus d’éléments sur les effets biologiques multifactoriels de l’acidification de l’océan [6]. Une méta-analyse a, elle, conclut que les plus impactées étaient les juvéniles et les espèces hétérotrophes, dépendantes pour leur nourriture, l’effet combiné du réchauffement et de l’acidification affectant globalement la survie des espèces [7, p 1020]. Pour mieux comprendre ces phénomènes, il fallait pouvoir étudier des communautés entières ou tout du moins un ensemble d’organismes et non plus des organismes isolés, le faire sur une période de temps longue, d’au moins quelques mois, et bien prendre en compte les différents facteurs impactant les écosystèmes marins, comme l’acidification et le réchauffement.

Par exemple, jusqu’à présent, on prévoyait une altération des communautés épiphytes de posidonies, des algues méditerranéennes qui forment de grands herbiers. D’autres chercheurs mettaient en avant l’augmentation de la photosynthèse grâce au CO₂.

« Pour l’heure, les conséquences de l’acidification de l’océan ne se voient que pour des régions du globe et des organismes très particuliers, comme sur la côte Nord-Ouest des États-Unis, où l’aquaculture des huîtres est impactée, ou les coraux du Pacifique au large du Panama, qui se fragilisent. On constate plus facilement l’effet du réchauffement de la mer avec le blanchissement des coraux ou la redistribution des espèces de poisson. » Jean-Pierre Gattuso

Mais cela n’avait pas encore été testé. Une expérience a donc été réalisée dans la rade de Villefranche-sur-mer. « On a acidifié 2 m² d’herbiers de posidonie à 12 mètres de profondeur pendant sept mois », raconte Jean-Pierre Gattuso, directeur de recherche CNRS au laboratoire d’océanographie de Villefranche. Le pH a été abaissé de 0,3 unités. Résultats : aucune prolifération par stimulation de la photosynthèse n’a été observée pour les algues. Les invertébrés calcifiants et la coralline officinale, une algue, n’ont pas diminué. Seuls les foraminifères se sont trouvés impactés, ainsi que prévu dans les hypothèses.

Une sélection des espèces plutôt que leur adaptation durable

En 2016, une expérience de 4 ans a permis de montrer l’adaptation d’une microalgue calcaire (coccolithophore), présente dans le phytoplancton, Emiliana huxleyi. Son avantage consiste en sa division rapide qui permet d’obtenir de nombreuses générations en peu de temps. Ici, les chercheurs ont obtenu 2100 générations sous trois conditions de CO₂ : celle connue actuellement (400 ppm) et deux niveaux plus élevés (1100 et 2200 ppm, ce dernier représentant plus du double de celui du scénario pessimiste RCP 8.5). Ils ont pu observer qu’une adaptation transitoire pouvait s’inverser en mal-adaptation. En effet, au bout d’un an d’exposition à une forte teneur en CO₂, une partie de la population de cette microalgue a réussi à revenir à une calcification normale. Mais ensuite elle s’est réduite pour atteindre un niveau inférieur à celle qui ne s’était pas du tout adaptée [8].

Depuis 2007, des chercheurs ont aussi pu mesurer les effets du CO₂ sur l’ensemble d’un écosystème grâce à des sources naturelles de CO₂ dans les océans. C’est le cas avec le Vésuve par exemple, mais aussi au Japon ou en Papouasie Nouvelle-Guinée. « Là où il y a une source de CO₂, une espèce résiste mais les autres meurent. Sur 50 à 100 espèces, seule une devient dominante », indique l’océanologue. Les récifs coralliens présentent des sensibilités différentes à l’acidification qui pourraient réduire considérablement la complexité de leur habitat [9]. « On ne savait pas pourquoi il y avait une si grande variabilité de réponses entre espèces de coraux. En fait, tous possèdent des vésicules à l’intérieur des polypes qui peuvent augmenter le pH mais certaines d’entre elles réussissent mieux à activer ce dispositif que d’autres », précise Jean-Pierre Gattuso.

De façon globale, les articles récents sur la capacité d’adaptation des organismes montrent que « le processus existe, mais qu’il n’est pas assez puissant pour mettre à néant les effets négatifs », selon le chercheur. Des observations in situ le confirment dans un article de 2017 publié par un grand nombre de scientifiques. Il conclut que l’acidification a comme effets la diminution de la diversité des espèces dans les récifs coralliens, des bancs de moules et des habitats de micro-algues [10].

Modification des habitats et des comportements proies-prédateurs

Une étude a été réalisée à partir de données provenant de deux sites naturels : l’île du volcan, en Italie et l’île blanche, en Nouvelle-Zélande. Les chercheurs observent que l’acidification réduit bien les comportements d’évitement des prédateurs, mais que cela peut se compenser dans des endroits riches en cachettes. Ils notent aussi que l’élévation de CO₂ a grandement modifié les habitats, les deux lieux observés se retrouvant dominés par quelques algues poussant abondamment. Cette transformation a entraîné une forte abondance de certaines espèces de poissons et réduit celle de certains prédateurs [11].

Avec d’autres chercheurs, ces derniers ont observés les effets de l’acidification sur les requins. Ces prédateurs seraient moins capables de chasser efficacement. La température accélère le développement embryonnaire des animaux mais, associée à l’augmentation de CO₂, elle réduit leur efficacité métabolique ainsi que leur capacité à localiser les proies. Au final, le taux de croissance des requins s’en trouve grandement impacté [12].

L’acidification a des effets neurologiques sur les poissons. Cela entraîne leur manque de réactivité face à un prédateur et donc une mortalité plus importante. En 2014, une équipe de chercheurs a publié une étude mettant en évidence des anomalies de comportements. Les poissons de récifs proches de suintements naturels de CO₂ sont attirés par l’odeur des prédateurs, ont des comportements plus audacieux et ne distinguent pas les odeurs entre différents habitats [13].

« C’est une vraie surprise, il existe des molécules dans le cerveau qui sont sensibles au pH. Cela altère l’odorat et la vision. Il y a eu une expérience sur le poisson Nemo. Il perd ses repères et ne retrouve pas son anémone qui le protège », raconte Jean-Pierre Gattuso.

3. Impacts à venir du réchauffement et de l’acidification des océans

Température et acidité de l’océan en 2100 suivant les scénarios

L’état futur de l’océan dépend du volume de CO₂ qui sera rejeté dans les décennies à venir, illustré par deux scénarios, l’un optimiste, le RCP2.6 (réduction drastique des émissions), et l’autre pessimiste, le RCP8.5 (augmentation continue des émissions, suivant la tendance actuelle). La température de l’eau superficielle et le pH augmenteraient respectivement de 0.71° et 0.07 unités pH dans le 1^er cas et de 2.73° et 0.33 unités pH dans le 2è [4, p 4722-3], soit une acidité augmentée de 170% par rapport à 1850 dans ce dernier cas.

« Le pH de l’océan pourrait atteindre 7,7 d’ici 2100, soit un triplement de son acidité par rapport à la période préindustrielle. On a montré en laboratoire qu’à un tel taux, les récifs coralliens commencent à se dissoudre, les coquilles des mollusques se fragilisent… On a également constaté que quand l’acidité augmente, le phytoplancton de grande taille (microplancton) est remplacé par des espèces plus petites (nano- ou picoplancton), ce qui impacte la chaîne alimentaire ! En Méditerranée, on estime qu’en 2100, la diversité écologique aura diminué d’au moins 30 %. Et il ne faut pas espérer conserver plus de 20 à 30 % des récifs coralliens qui existent aujourd’hui. Ce sont des changements majeurs. » Jean-Pierre Gattuso

Absorption du CO2 et corrosivité de l’océan pour les organismes calcifiants (scénario pessimiste)

L’augmentation de la stratification, liée au réchauffement de surface, diminuera les remontées d’eau riche en nutriments à la surface, l’oxygénation de l’eau et le puits de carbone océanique. Ainsi la fraction d’émissions de CO₂ restants dans l’atmosphère augmenterait de 69% dans le scénario RCP 8.5. Le volume d’eau devenant corrosive pour les squelettes et coquilles calcaires non protégées passerait alors de 76% pour l’ensemble de l’océan dans les années 1990 à 91% en 2100 avec une diminution de son oxygénation de 3,45% [4, p 4722-3 et 5].

Impacts négatifs pour les mollusques et les poissons (scénario pessimiste)

60 % des espèces de mollusques (palourdes, coquilles Saint-Jacques, moules, huîtres, ptéropodes, ormeaux, conques, encornets, seiches et poulpes)  auront leur taux de calcification, de croissance et de survie en baisse [E, p 9] et plus de 70% des poissons (distribution des espèces avec migration vers les pôles et variation saisonnière (phénologie) et troubles du comportement proie-prédateur) seront affectés négativement, ceci avec un risque très élevé dans le scénario RCP 8.5 (voir illustrations ci-dessus) [E, p 9] [1, figure 8 p 18]  [4, figure 2].

Services écosystémiques et synergies avec d’autres perturbations

La pêche et l’aquaculture des basses latitudes, qui constituent une source de protéines et de revenus pour des millions de personnes, sont à haut risque avec le scénario pessimiste.

Les impacts du réchauffement, de la désoxygénation, de l’élévation et de l’acidification de l’océan sur les écosystèmes marins vont se combiner avec les autres effets des activités humaines, comme la surexploitation des ressources biologiques, la destruction des habitats et la pollution.

Les impacts sur les organismes marins et côtiers clés et sur les services écosystémiques (atténuation du réchauffement climatique, protection des côtes, tourisme et santé humaine) surviendront sur toutes les latitudes, rendant cette problématique globale, au-delà de la fracture nord-sud [4, p 45].

4. Les solutions

Face à de telles données, les pays doivent donc transformer immédiatement les engagements pris lors de l’accord de Paris (COP21) en plans nationaux concrets de transition énergétique, pour sortir des énergies fossiles et développer les énergies renouvelables.

Mais les chiffres des engagements mis en avant par les divers gouvernements ne sont pas suffisants pour rester bien en dessous de 2°C d’augmentation de température en 2100. Les chercheurs ont estimé que ceux-ci nous mettaient sur la trajectoire d’une hausse de 2,7°C  à 3,5°C d’ici 2100. La température de l’eau s’élèverait alors de 2 à 2,6°c tandis que le pH diminuerait de 0,26 à 0,34 unités par rapport à la période 1870-1899. Selon eux, cela signifierait un risque passant de haut à très élevé pour les coraux d’eau chaude et de modéré à haut pour les herbiers des hautes latitudes, les pêches de bivalves (huîtres et moules) et l’aquaculture. Enfin les risques pour les mangroves passeraient d’indétectables à modérés [14].

« La solution, c’est réduire nos émissions de CO2, bien-sûr, mais pas seulement. Il faut également diminuer la pollution côtière qui contribue aussi à l’acidification, augmenter la résilience de certains écosystèmes en créant des aires marines protégées, restaurer ceux qui sont dégradés avec des espèces plus résistantes …. Même en respectant l’accord de Paris, il faut s’attendre à de gros dégâts sur certains écosystèmes. » Jean-Pierre Gattuso

Il faut donc agir, et vite. Car comme le rappelle bien Jean-Pierre Gattuso : « On n’a pas 70 ans ».

Un temps fort pour mettre à jour les connaissances et se mobiliser pour une mise en œuvre ambitieuse de l’Accord de Paris et une prise en compte de tous les facteurs concernant les problématiques du réchauffement, de la désoxygénation, de l’élévation et de l’acidification de l’océan sera la troisième étape du sixième cycle d’évaluation du GIEC, consistant en la publication en septembre 2019 de son rapport spécial sur l’océan et la cryosphère dans le contexte du changement climatique [F].