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L’acidification des océans sous haute surveillance

Un laboratoire californien d’océanographie, le Monterey Bay Research Institute (MBARI), étudie depuis des années l’acidification des océans, un phénomène lié aux rejets dans l’atmosphère du CO2 anthropique. Mais les conséquences de cette acidification sur la faune et la flore demeurent incertaines. Le MBARI a mis au point un système unique pour les mesurer. Reportage. 

Le MBARI, organisme de référence sur l'acidification des océans Ce laboratoire californien d’océanographie étudie depuis des années le phénomène d'acidification des océans. © Geneviève De Lacour

Niché au cœur de la baie de Monterey, le bâtiment du MBARI semble échoué sur la plage de Moss Landing. Dans le petit port californien, le Rachel Carson, un des navires de l’institut océanographique, attend sa prochaine mission. Sur le parking, un étrange caisson de forme pyramidale est en cours de révision. Le FOCE (pour Free Ocean CO2 Enrichment Experiments) est une chambre expérimentale aux parois transparentes et à la structure métallique. Ce prototype est né en 2003, d’une discussion entre l'ingénieur Bill Kirkwood et le chimiste Peter Brewer, spécialiste des océans et qui travaille sur le sujet depuis les années 1970. À l’époque, les deux hommes décident de profiter de l’observatoire exceptionnel dont dispose le laboratoire, situé au large, par 900 mètres de fond. Le Monterey Accelerated Research System (MARS) est en effet relié au continent par un câble et permet de mener des expériences complexes, comme le suivi en direct de l’impact des variations de pH sur des animaux dans leur milieu naturel.

Le FOCE est une adaptation au milieu maritime du FACe, Free Air-Carbon Dioxid Enrichment, mis au point pour mesurer l’impact de l’augmentation du CO2 atmosphérique sur les plantes. Il se trouve ici à terre, entre deux sessions de mesures. © Geneviève De Lacour

En fait, ces nouvelles expériences in vivo répondent aux inquiétudes croissantes des ostréiculteurs de la région. En 2006, en effet, plusieurs écloseries d’huîtres des Etats de Washington et d’Oregon voient leurs larves décimées par un mal étrange. Très vite, l’acidification des eaux est suspectée. Il faut dire que les larves sont particulièrement sensibles aux variations de pH. Mais ce n’est qu’en 2012 qu’un lien formel entre acidification et pertes élevées (plus de 70 % des effectifs) est établi par les scientifiques, à l’écloserie de Whiskey Creek, en Oregon.

L’industrie huîtrière représente un secteur économique très important dans ces deux Etats voisins, avec un chiffre d'affaires, en 2009, de 278 millions de dollars, soit 215 millions d’euros. Or le nord de la côte Pacifique américaine se révèle une des plus sensibles au monde aux variations de pH, car elle subit de plein fouet les moindres variations de l’acidité de ses eaux. En effet, l’upwelling, phénomène local naturel de remontée d’eaux profondes riches en CO2, accentue les effets de l’acidification sur le milieu.

Le FOCE système ou la boîte à pH

Étudier les effets de d’acidification directement dans l’océan est un nouveau défi pour les chercheurs. Car faire varier le pH de l’eau de mer n’est pas chose facile. « Le premier FOCE système a été dessiné sur le modèle du FACE », explique Bill Kirkwood. Le Free Air-Carbon Dioxid Enrichment est un dispositif mis au point dix ans auparavant pour mesurer l’impact de l’augmentation du CO2 atmosphérique sur les plantes. L’ingénieur décide donc de l’adapter au milieu marin : « Au début nous avons travaillé avec de l’acide parce qu’il est difficile de maîtriser le flux de CO2 dans l’eau. En présentant notre idée à la communauté scientifique, celle-ci est restée sceptique. Elle pensait que nous ne pourrions pas contrôler la vitesse de l’eau dans le dispositif, rendant donc difficile la maîtrise de la trajectoire du CO2 ». Pour arriver à ses fins, son équipe a donc modifié le dispositif original en faisant circuler l’eau de mer via un labyrinthe. Les premières expérimentations ont été menées sur des oursins de mer : des animaux assez robustes pour supporter d’importantes variations de CO2.

Aujourd’hui, dpFOCE (deepFOCE) a été copié et adapté. Sur la grande barrière de corail australienne, ce dispositif a permis de suivre pendant un an le taux de calcification des coraux. L’Europe a utilisé un autre modèle en Méditerranée : le eFOCE.

Un système si ingénieux que le MBARI a décidé de rendre le concept xFOCE - nom de code de l’instrument standard déclinable à souhait - open source, c’est-à-dire de le mettre gratuitement à disposition de la communauté scientifique mondiale afin de lui permettre de l'améliorer.

Une nouvelle chambre d’expérimentation propre au milieu peu profond est en cours de mise au point au MBARI. Elle sera testée en baie de Monterey, en juin, par 15 mètres de profondeur, à 200 mètres de la côte. « Nous avons toujours souhaité étudier les effets de l’acidification sur la côte. Nos mesures ont commencé en profondeur parce que nous avions la station MARS à disposition. Mais la zone côtière est stratégique, c’est une zone économiquement intéressante et la plus riche en terme de biodiversité », précise Bill Kirkwood.

Des sources devenues puits de carbone

« L’autre problème » du CO2, comme l'ont baptisé les scientifiques, est décrit depuis le début des années 1960. L’acidification des océans a en effet la même origine que le réchauffement climatique : le dioxyde de carbone émis par les activités humaines.

Le pH océanique se déplace progressivement vers le pôle acide. En cause, des sources locales de pollution recensées sur ce schéma. © Center for Ocean Solution (COS)

Une partie du CO2 libéré depuis le début de l’ère industrielle est partiellement absorbé par les océans (25 % des émissions environ). Une fois capté, il modifie la chimie des eaux en diminuant le pH et la concentration en ions carbonates (CO32-). En fait, les océans ne deviennent pas acides mais leur pH, qui est actuellement de 8,1, se déplace vers le pôle acide. Les chimistes estiment ainsi que sa valeur pourrait atteindre 7,8, voire 7,7 d’ici 2100, ce qui équivaut à un triplement de l’acidité sur 350 ans.

Mais l’évolution du pH varie beaucoup selon les régions du globe. En effet, la constante de dissolution du CO2 dépend de la température du milieu. Les eaux les plus froides captent davantage de dioxyde de carbone. L’eau tend donc à être de plus en plus corrosive dans les hautes latitudes. « Avant l’ère industrielle, les océans étaient une source de carbone. Depuis, ils sont devenus des puits de carbone », explique Frédéric Gazeau, du laboratoire d’océanographie de Villefranche-sur-Mer (Alpes-Maritimes), où fut décrit pour la première fois le blanchiment des coraux lié à la variation de pH. Une situation qui n’est pas prête de s’inverser. Car « même si nous réussissons à réduire nos émissions de CO2, l’océan va continuer à s’acidifier », prévoit l’océanographe.

Si le phénomène est connu, les conséquences sur le milieu n’ont été, quant à elles, étudiées qu’à partir de la fin des années 1990.

Vers une modification des communautés biologiques

Comment les animaux s’adapteront-ils aux changements chimiques du milieu? C’est la grande incertitude. En effet, les conséquences écologiques et biologiques de l’acidification des océans restent méconnues. Certains organismes seront capables de s’adapter, d’autres non. Pourquoi ? Les scientifiques n’arrivent pas encore à l’expliquer. C'est que la recherche est très récente : la grande majorité des articles ont été publiés après 2003. Et les résultats sont variés, parfois même contradictoires.

Les premières études ont porté sur les organismes au squelette calcifié (mollusques, coraux, algues calcaires) car ce sont eux qui ont besoin des ions carbonates pour construire leur structure. Ils pourraient être les premiers affectés par la baisse de disponibilité de ces ions. S’il est maintenant acquis que les ptéropodes - mollusques gastéropodes planctoniques essentiels à la chaîne trophique des régions polaires - ou les coraux ne seront pas capables de s’adapter et donc de survivre, peu d’études existent sur les planctons et aucune sur les virus et les microbes, des organismes qui jouent pourtant un rôle essentiel dans la décomposition de la matière organique. On pensait que l’acidification n’aurait pas d’effet sur les poissons, mais selon des résultats récents, ceux des récifs coralliens seraient en train de perdre leurs capacités olfactives et auditives.

Les scientifiques prédisent donc une modification des communautés. Certaines espèces récupéreront sans doute les niches écologiques laissées vacantes par les plus sensibles. « Il y aura des gagnants et des perdants », résume Peter Brewer.

La vulnérabilité des moules

« Ce qui m’inquiète le plus, c’est la combinaison de plusieurs facteurs : l’augmentation de CO2 couplée à une augmentation de la température liée au réchauffement climatique et à une diminution de l’oxygène », s’alarme Frédéric Gazeau. Une expérience menée récemment par le laboratoire de Villefranche-sur-Mer en Méditerranée montre, sur des bancs de moules cultivées dans des eaux de 3°C plus chaudes, que la diminution du pH peut avoir des effets dévastateurs. Ces mollusques bivalves possèdent en effet une mince pellicule qui protège la coquille mais disparaît lorsque la température augmente, ce qui empêche les moules de s’adapter aux variations de pH. Plusieurs expériences multi-paramètres sont en cours, qui combinent les variations de température, de concentration en oxygène et de CO2.

Mais d’autres espèces pourraient tirer leur épingle du jeu. A Ischia, en mer éolienne, près du Stromboli, des bulles froides de CO2 s’échappent naturellement du fond de l’océan. Une étude menée par le laboratoire de Villefranche a montré que les herbiers à posidonies profitent de ce phénomène. 

Côte Pacifique, groupes de travail et premières mesures

Pour survivre, l’industrie ostréicole américaine a donc dû s’adapter. Ainsi, l’écloserie de Whiskey Creek a intégré un système de mesure en continu du pH et gère l’arrivée d’eau en fonction de l’acidité de l’eau de mer. En outre, pour augmenter le niveau de saturation de l’aragonite, minéral qui compose la coque des huîtres – et qui est une des formes les plus solubles de carbonate de calcium – ils ajoutent du chlorure de calcium et du carbonate de sodium dans l’eau. « La Californie n’est pas encore touchée par l’acidification de l’océan », constate Ryan Kelly du Center for Ocean Solutions (COS). Le rapport Why ocean acidification matters to California a été publié à la demande des autorités du Golden State en mars 2012.

Cette carte montre la perte de saturation en aragonite dans les eaux océaniques de surface entre 1880 et 2012. Elle compare le volume actuel d'aragonite au volume total que l'eau pourrait contenir si la saturation était complète. Plus la variation est négative, plus il est difficile pour les créatures marines de fabriquer leurs squelettes et leurs coquilles. © R. A. Feely, S.C. Doney et S.R. Cooley/EPA

De son côté, le gouverneur de l’État de Washington a mis en place en 2011 un panel composé de représentants des différentes communautés – scientifique, industriels et pêcheurs – pour réfléchir à la situation. Ce panel a élaboré 42 recommandations en demandant au COS, suivant l’exemple californien, de passer en revue les résultats scientifiques et les réglementations déjà en place.

Sans oublier les co-facteurs qui accentuent l’acidification des océans. Ce groupe de travail, le Blue ribbon task force, s'est principalement focalisé sur la pollution agricole ou industrielle des océans. L’eutrophisation des milieux côtiers liée aux rejets de nitrates et phosphates aggrave en effet les conséquences de l’acidification des eaux. Ce groupe de travail a aussi mis en place un plan de gestion des effluents côtiers et envisage la création d’aires marines protégées. Mais cette solution soulève des critiques, car elle est jugée trop passive et trop lente pour lutter de manière efficace contre les effets néfastes de l’acidification et du réchauffement climatique. Aussi certains ostréiculteurs ont-ils pris les devants, conscients que le phénomène n’est pas près de s’inverser. Ils ont décidé de délocaliser leurs écloseries… à Hawaii !

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