L’océan en surchauffe : comment le changement climatique perturbe la dynamique des systèmes marins

 

En jouant le rôle de puits de chaleur et de carbone, l’océan mondial amortit les effets du changement climatique. Mais il est à son tour sous pression : son réchauffement s’accélère, entraînant des effets en cascade sur le climat et les écosystèmes.

Guillaume Massé

27 novembre 2024|  POUR LA SCIENCE N° 566|  Temps de lecture : 18 mn

Cette carte montre les anomalies de la température à la surface de l’océan le 21 août 2023 par rapport à la température moyenne pour ce même jour entre 2003 et 2014. Si le phénomène El Niño est en grande partie responsable des hautes températures dans le Pacifique, d’autres anomalies sont directement liées au réchauffement climatique, en particulier en Arctique, où les hausses de température de l’eau par rapport à la période de référence correspondent à l’impact, de plus en plus tôt, de la saison de la fonte de la banquise. Échelle des couleurs : le bleu correspond à des anomalies de la température de surface inférieures à –3°C, le blanc à 0°C et le rouge à des anomalies de la température de surface supérieures à 3°C.

© Lauren Dauphin, Nasa Earth Observatory ; source : https ://earthobservatory.nasa.gov/images/151743/the-ocean-has-a-fever

Près de 1,4 milliard de kilomètres cubes – l’équivalent de 37 000 milliards de piscines olympiques : c’est le volume d’eau présent à la surface de la Terre. Seulement 3 % de cette eau se trouve distribuée au sein des calottes et des glaciers, dans les sols, les lacs, et les rivières ou dans l’atmosphère. Les 97 % restants sont contenus dans l’océan. D’une profondeur moyenne de 3 800 mètres, cette immense masse d’eau salée recouvre plus des deux tiers de la planète et joue de nombreux rôles essentiels tant pour la préservation des équilibres climatiques que pour le maintien de la vie sur Terre. Longtemps considéré comme un puits sans fond, l’océan donne et régule tout en absorbant nos nombreux excès. Aujourd’hui, cependant, on s’aperçoit qu’il sature. Et que, s’il continue à encaisser, c’est dès à présent loin d’être sans conséquences pour sa dynamique, les équilibres biogéochimiques et les écosystèmes marins.

Les rapports du Giec, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat, sont sans équivoque. Le climat se dérègle, les températures augmentent et nos émissions de gaz à effet de serre en sont la cause principale. Depuis le début du XXI^e siècle, elles n’ont cessé de croître pour culminer à une émission record équivalente à 53 gigatonnes de dioxyde de carbone (CO₂) en 2023 (contre 33 gigatonnes en 1990). La concentration en CO₂ dans l’atmosphère cette même année a atteint 424 parties par million (ppm). Au cours du dernier million d’années, elle n’avait jamais dépassé 300 ppm. Cette augmentation brutale de gaz à effet de serre dans l’atmosphère bouleverse le bilan radiatif de la Terre : avec l’augmentation de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, le système Terre a accumulé une quantité d’énergie équivalente à près de 400 zettajoules (400 x 10²¹ joules) au cours des cinquante dernières années. Un peu comme si, pendant ce demi-siècle, nous avions oublié d’éteindre un gigantesque radiateur de quelque 5 milliards de kilowatts (la puissance moyenne d’une chaudière domestique est d’une vingtaine de kilowatts). Il en résulte que la température à la surface de la planète augmente. Les relevés montrent que, pour la période 2011-2020, sa valeur moyenne a été supérieure de 1,1 °C à celle enregistrée entre 1850 et 1900.

Bien que cette hausse des températures soit déjà importante et fort préoccupante, celle-ci aurait été largement supérieure sans la présence de l’océan. En effet, il constitue le puits thermique principal : près de 90 % de l’énergie qui s’accumule sur la planète s’y dissipe jusque dans ses couches les plus profondes. En tant que dissipateur thermique, il joue donc un rôle essentiel pour le maintien de conditions favorables à la vie sur le globe. Néanmoins, tout comme notre atmosphère, et même si, pour le moment, les changements sont plus difficilement perceptibles que sur la terre ferme, il se réchauffe. Dans le huitième rapport sur l’état de l’océan du programme européen Copernicus, paru le 30 septembre dernier, des scientifiques du monde entier tirent la sonnette d’alarme. Il se réchauffe deux fois plus vite qu’il y a vingt ans et sa température a déjà augmenté en moyenne de 1,45 °C par rapport aux niveaux préindustriels. Ce réchauffement de l’océan, jusque dans ses couches les plus profondes, provoque déjà de nombreux bouleversements avec des effets en cascade qui se révèlent parfois catastrophiques.

Les émissions anthropogéniques de gaz à effet de serre dans l’atmosphère perturbent le bilan radiatif de la Terre, c’est-à-dire l’inventaire de l’énergie que la planète – le sol, l’océan et l’atmosphère – reçoit (majoritairement du Soleil) et perd (réflexion du rayonnement solaire, rayonnement terrestre, évapotranspiration des végétaux, activités humaines…). C’est majoritairement l’océan qui absorbe l’excès de chaleur accumulé. Les chiffres indiqués correspondent à la période 1971-2020. Le déséquilibre énergétique de la Terre est estimé à 0,48 watt par mètre carré sur cette période, avec une nette augmentation les dernières années : il atteint 0,76 watt par mètre carré entre 2006 et 2020.

© K. von Schuckmann et al., Heat stored in the Earth system 1960-2020 : Where does the energy go ?, Earth Syst. Sci. Data, 2023 (CC-BY-4.0)

Des grands courants déjà perturbés

Les grands courants océaniques ne transportent pas que de l’eau ou du plancton. Ils convoient aussi de la chaleur et la répartissent sur toute la planète. Un exemple bien connu est celui de la dérive nord-atlantique dont les eaux chaudes, alimentées par le Gulf Stream, traversent l’Atlantique, réchauffent les côtes du nord de l’Europe et se dispersent ensuite dans l’océan Arctique. La plongée d’eaux froides et salées vers le plancher océanique met en marche cet immense fleuve marin. Lié à la différence de salinité et de température entre les différentes masses d’eau, ce phénomène de convection thermohaline est très localisé et n’a lieu qu’en Atlantique Nord et en Antarctique. Véritable moteur de la circulation océanique, il influe sur l’ensemble de l’océan en mettant en mouvement toutes les masses d’eau.

400 zettajoules

Avec l’augmentation de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, le système Terre a accumulé une quantité d’énergie équivalente à près de 400 zettajoules (400 x 1021 joules) au cours des cinquante dernières années. Un peu comme si, pendant ce demi-siècle, nous avions oublié d’éteindre un gigantesque radiateur de quelque 5 milliards de kilowatts (la puissance moyenne d’une chaudière domestique est d’une vingtaine de kilowatts).

Or, actuellement, la hausse des températures à la surface de la planète et le réchauffement de l’océan provoquent une accélération de la fonte des glaces continentales (glaciers, calottes groenlandaise et antarctique). D’immenses volumes d’eau douce rejoignent l’océan, en particulier dans les régions polaires, où prend place la convection thermohaline. Et tout comme la hausse des températures, la fonte des glaces continentales s’est accélérée de façon exponentielle durant les dernières décennies et devrait encore s’accentuer dans les prochaines même si nous devenons capables de limiter nos émissions de gaz à effet de serre et de respecter les objectifs les plus ambitieux des accords de Paris (un réchauffement global de la Terre inférieur à 2 °C). L’intensité de la circulation thermohaline étant étroitement liée à la salinité, ces apports croissants d’eau douce risquent fort de ralentir les plongées d’eau, voire de les arrêter et donc d’aboutir à un ralentissement de la circulation des masses d’eau océaniques et des échanges de chaleur sur la planète.

 

Même avec un réchauffement global compris entre 1,5 et 2 °C, la Terre pourrait ainsi dépasser plusieurs seuils d’ici à quelques années selon certains modèles, comme la disparition du gyre subpolaire – un courant au sud du Groenland – susceptible de survenir d’ici à une dizaine d’années, ce qui influerait sur le courant nord-atlantique, réduirait de 2 à 3 °C la température de l’océan Atlantique nord, augmenterait les événements extrêmes en Europe… Le climat du nord de l’Europe ressemblera-t-il bientôt à celui du nord de l’Amérique ?

L’analyse des données satellitaires a révélé que les calottes groenlandaise et antarctique ont perdu environ 10 000 kilomètres cubes de glace au cours des cinquante dernières années. Cela peut paraître négligeable au regard du volume d’eau contenu dans l’océan, mais ces ajouts contribuent déjà de manière très perceptible – y compris sur nos rivages – à la hausse du niveau marin. Une multitude d’instruments mesurent précisément la hauteur du niveau marin. À partir des données de ces marégraphes, les scientifiques ont déterminé qu’au cours du dernier siècle, le niveau moyen des océans a augmenté d’une vingtaine de centimètres, dont 10 pour les seules trente dernières années. Les 10 000 kilomètres cubes de glace perdus par les calottes ces cinquante dernières années ont contribué pour environ 3 centimètres à la hausse du niveau de la mer. Le reste – environ la même contribution – est lié à la dilatation thermique de l’océan lui-même : il se réchauffe, ce qui entraîne une augmentation du volume de l’eau. Si les calottes venaient à disparaître – ce qui heureusement ne devrait pas se produire avant au moins plusieurs siècles –, l’apport d’eau douce resterait négligeable au regard du volume total de l’océan, mais il provoquerait une élévation du niveau marin de plus d’une soixantaine de mètres.

Il est difficile de prévoir avec précision à quel rythme et surtout quelle sera la hausse du niveau marin à l’issue des prochaines décennies, car elle dépend surtout de notre capacité à limiter nos rejets de gaz à effet de serre. Les projections les plus optimistes prévoient malgré tout une hausse de 28 à 55 centimètres à l’aube du XXIIe siècle. Les scénarios les plus pessimistes – si nous ne limitons pas nos émissions – anticipent que le niveau de l’océan augmentera de plus de 1 mètre d’ici à 2100. En France, plus de 8 millions d’habitants résident dans les communes littorales. Dans le monde, ce sont plus de 1 milliard d’individus, dont environ les deux tiers vivent à moins de 10 mètres au-dessus du niveau marin actuel. Parmi eux, 230 millions d’habitants qui sont installés en dessous de 1 mètre de ce niveau, dans des régions pour la plupart localisées en Asie, au sein de pays en voie de développement déjà exposés à des inondations côtières récurrentes.

Le niveau marin devrait augmenter de 28 cm à plus de 1 m d’ici 

à 

2100 selon les 

scénarios

Tout comme le niveau marin, température et salinité de la mer sont étroitement surveillés. Aux nombreuses stations de mesure installées par les pays riverains s’ajoutent plus de 3 000 flotteurs dérivant en permanence en tout point de l’océan, qui effectuent des profils de température et de salinité de la colonne d’eau. Les données enregistrées depuis bientôt deux décennies par cet effort d’observation international permettent aux scientifiques de suivre en temps réel l’état de santé de l’océan. Une des conclusions du dernier rapport indique que la fréquence et l’intensité des vagues de chaleur marines augmentent. En août 2022, les températures de surface en Méditerranée ont atteint des records avec plus de 29 °C. Ces anomalies se sont étendues en profondeur avec des valeurs jusqu’à 6 °C supérieures à la normale pendant plusieurs mois. En juillet 2023, une des stations de l’Agence américaine d’observation océanique et atmosphérique (NOAA) a enregistré 38,4 °C au large de la Floride. Outre le fait que ces températures extrêmes créent des conditions favorables pour la formation de cyclones qui inondent ou dévastent régulièrement les États bordant la zone, des effets en cascade, incluant des épisodes de mortalité massive de la faune et de la flore marine, résultent de ces événements qui ont tendance à se généraliser.

Un puits de carbone menacé

En sus de son rôle de puits de chaleur, l’océan est un immense puits de carbone grâce aux nombreux organismes photosynthétiques qui y vivent. Les zones littorales regorgent d’algues et de plantes marines qui forment des champs, herbiers ou forêts pour les plus grandes espèces. Sources de nourriture, frayères, ou refuges pour de nombreux animaux marins, ces habitats stockent du carbone, stabilisent les fonds et limitent l’érosion côtière. Les récifs coralliens eux-mêmes abritent dans leurs tissus des algues photosynthétiques, les zooxanthelles, avec lesquelles ils vivent en symbiose. C’est cette symbiose que détruisent les hausses de température de l’eau en poussant les coraux à expulser les zooxanthelles, ce qui condamne les deux symbiotes. Enfin, la zone photique, une couche de quelques dizaines de mètres d’épaisseur à la surface de l’océan, où pénètre la lumière, héberge de grandes quantités de phytoplancton. Constitué d’organismes microscopiques, algues et bactéries, le phytoplancton est à lui seul responsable d’environ la moitié de l’oxygène produit sur Terre.

Qui dit photosynthèse dit fixation du CO2 atmosphérique. En effet, les gaz sont solubles dans l’eau et, par le biais d’échanges avec la surface, une grande quantité du CO2 présent dans l’atmosphère se retrouve dans l’océan et devient donc disponible pour les organismes marins photosynthétiques, qui le transforment en carbone organique. À la base de tous les réseaux trophiques (l’ensemble des chaînes alimentaires), le phytoplancton sert ensuite de nourriture aux échelons trophiques supérieurs ou rejoint les profondeurs sous forme de neige marine, dont une partie est stockée dans les sédiments, où elle se transforme lentement en dépôts fossiles.

La dissolution du CO2 atmosphérique dans l’océan, aussi appelée « pompe physique », lui permet donc de stocker le carbone et contribue à limiter le réchauffement climatique. À lui seul, l’océan fixe près de 30 % des émissions anthropogéniques de carbone depuis les années 1870. Toutefois, ce n’est pas sans conséquence : une partie du CO2 dissous dans les eaux marines se transforme en ions hydrogénocarbonates (HCO3 –) – une réaction qui libère des ions hydrogène (H +), ce qui augmente l’acidité de l’océan. Le pH des eaux de surface est passé de 8,2 à 8,1 depuis le début de la révolution industrielle, ce qui peut paraître négligeable, mais ces changements touchent déjà de nombreux organismes marins.

De plus, le fonctionnement de la pompe physique est lui-même menacé, car s’il est étroitement lié à la concentration en CO2 dans l’atmosphère, il dépend aussi de la température de l’océan : plus l’eau est froide, plus la solubilité du CO2 y est élevée. La pompe physique est ainsi particulièrement active dans les zones de hautes latitudes, où les eaux sont froides. La hausse actuelle de la température de l’océan contribue donc à limiter sa capacité de stockage du carbone et pourrait restreindre son aptitude future à réduire l’impact de nos émissions de gaz à effet de serre sur la planète. Sans compter que cette hausse de température affecte aussi la solubilité d’autres gaz comme l’oxygène, avec des impacts importants sur les écosystèmes marins.

En quelques décennies, nous sommes passés de l’Holocène, une époque géologique tempérée couvrant les douze derniers millénaires durant laquelle l’espèce humaine a connu un accroissement démographique exponentiel, à une période – nommée « anthropocène » – où l’humain est le principal moteur des changements qui bouleversent les équilibres planétaires. Empreinte écologique, jour du dépassement, points de rupture, limites planétaires… cette récente prise de conscience s’est accompagnée d’un florilège de nouveaux concepts pour appréhender les frontières au-delà desquelles la planète basculera dans un état très probablement défavorable à l’humain. L’océan est le siège de nombre de ces limites comme l’érosion de la biodiversité, l’acidification, la fonte de la banquise, la hausse des températures marines… Il apparaît aussi très clairement que le franchissement ou non de ces limites est directement lié à nos émissions de gaz à effet de serre et donc à la mise en œuvre d’une politique de développement durable, voire de frugalité, à une échelle planétaire. La responsabilité de cette mise en œuvre incombe pour une large part aux décideurs politiques, mais la réduction de notre empreinte carbone dépend aussi fortement d’une prise de responsabilité individuelle.

En France, l’empreinte carbone par personne s’est maintenue à environ 11 tonnes d’équivalent CO2 par an entre 1995 et 2005 avant d’amorcer une décroissance. On estime qu’en 2022, elle s’élevait à 9,2 tonnes d’équivalent CO2 par habitant (dont plus de la moitié due aux émissions associées aux importations). C’est un début. On est encore loin des 3 tonnes d’équivalent CO2 par an et par habitant attendues sur 2018-2100 pour atteindre les objectifs de l’accord de Paris (+ 2 °C maximum en 2100), mais il n’est pas trop tard pour agir. Selon une étude parue en 2016, chaque tonne de CO2 émise fait fondre 3 mètres carrés de la banquise arctique de septembre. Chacun de nous peut contribuer à la protéger.

L’effet du réchauffement climatique sur la circulation thermohaline

Mu par les variations de densité des eaux, un immense courant, dit « circumocéanique », parcourt l’ensemble de l’océan, où il constitue une source majeure de vie. Toutefois, le réchauffement actuel de la planète perturbe sa dynamique.

La convection thermohaline est un phénomène thermodynamique qui met en mouvement l’ensemble des masses d’eau océaniques. Grâce à elle, une particule qui plonge en Atlantique nord se retrouvera des milliers d’années plus tard dans le nord du Pacifique ou dans l’océan Indien. Le moteur de cette circulation est la variation de densité des eaux liée à des changements de salinité et de température dans des zones très localisées de l’océan mondial. En Atlantique nord, en mer de Norvège, au nord-est du Groenland, ou encore dans la mer du Labrador, les eaux très salées de la dérive nord-atlantique, un courant alimenté entre autres par le Gulf Stream (un courant chaud de surface qui prend sa source près de la Floride), subissent un brusque refroidissement qui augmente leur densité. Ces eaux plongent alors jusqu’au fond du bassin océanique sous-jacent (Norvège ou Labrador) et forment ainsi une masse d’eau profonde qui s’écoule progressivement vers le sud de l’océan Atlantique.

Elle y rencontre les eaux de fond de l’Antarctique, qui, comme celles du nord, résultent de la plongée des eaux de surface au sein des zones englacées bordant le continent. Bien que liée à des variations de densité, la formation d’eau de fond dans l’Antarctique ne résulte pas d’un refroidissement des eaux de surface. Elle est due à l’augmentation de la salinité engendrée par la formation de glace de mer sous l’action des vents violents qui balaient la surface de l’océan au bord du continent – les vents catabatiques. Lors de la formation de la banquise, une partie du sel contenu dans l’eau de mer est expulsé de la glace. Froides et sursalées, les eaux aux abords plongent et s’accumulent au fond des dépressions du plateau continental antarctique. Ces eaux rejoignent ensuite la masse d’eau profonde provenant du nord de l’Atlantique.

Ces phénomènes de plongée des masses d’eau au nord et au sud sont essentiels dans le fonctionnement de la machine climatique. En mettant en mouvement l’océan dans sa globalité, ils contrôlent les transferts de chaleur et d’humidité sur l’ensemble de la planète. De plus, les eaux froides en provenance de la surface oxygènent les profondeurs et permettent le développement de la vie. Leur remontée à la surface en zone tropicale – dans l’océan Indien notamment – des centaines d’années plus tard, chargées de nutriments accumulés en profondeur, favorise en outre le développement du phytoplancton.

En accentuant la fonte des glaciers continentaux, et notamment des calottes polaires, le changement climatique actuel diminue la salinité de l’océan dans les zones de plongée des eaux au nord et au sud, ce qui affaiblit le phénomène et diminue l’intensité de la circulation thermohaline. Les conséquences se manifesteront lentement, mais sûrement : baisse de l’oxygénation des zones profondes et raréfaction des remontées d’eaux chargées en nutriments en zone tropicale – avec pour effet un appauvrissement de l’océan dans cette région.