Ce document contient la transcription textuelle d’une vidéo du MOOC « Causes et enjeux du changement climatique ». Ce n’est donc pas un cours écrit au sens propre du terme ; le choix des mots, l'articulation des idées et l’absence de chapitrage sont propres aux interventions orales des auteurs.

Absorption du CO₂ par les écosystèmes terrestres et océaniques : bilan global

Philippe PEYLIN
Chercheur – Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement

Je vais vous présenter le devenir des émissions anthropiques de CO₂ émises par l'homme depuis le début de l'ère industrielle, le milieu du XVIIIe siècle.

1. Contexte

Il est possible d’observer la quantité totale de dioxyde de carbone émise dans l'atmosphère. Celle-ci correspond aux émissions fossiles essentiellement, et en partie aussi aux émissions dues à la déforestation, aux changements d'utilisation des terres. Actuellement, pour la dernière décennie, nous émettons environ 10 milliards de tonnes de carbone par an ou 10 pétagrammes de carbone. Depuis le début des années 60, on mesure très précisément dans l'atmosphère les concentrations de CO₂ et son évolution ou son augmentation au cours du temps. Par différence, on peut donc calculer à partir de ces mesures la quantité de CO₂ qui s'est accumulée directement dans l'atmosphère. On observe que cette quantité-là est environ la moitié des émissions de carbone dues aux activités humaines. Il y a donc une absorption par les écosystèmes terrestres et les écosystèmes océaniques de la moitié de nos émissions. On va donc essayer de comprendre quels sont les principes, les mécanismes de ces puits de carbone.

2. L’océan

Si l'on commence par l'océan, on peut observer l'évolution au cours du dernier millénaire de la concentration de CO₂ dans l'atmosphère. A l’état préindustriel, on constate que les échanges entre l'atmosphère et l'océan correspondent à deux flux dits « bruts » de sens opposés, avec une dissolution du CO₂ dans l'océan proportionnel à la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère et un dégazage proportionnel, lui, à la quantité de CO₂ dissous. Notons que le CO₂, une fois dissous dans l'océan, réagit avec les ions dans l'océan (carbonates) pour former du bicarbonate, le plus grand réservoir de carbone inorganique dans l'océan. C’est en connexion directe avec ce que l'on appelle la pompe biologique : l’absorption du carbone par les organismes vivants et contrôlée par le mélange océanique. Durant l’ère de la perturbation anthropique, le CO₂ augmentant dans l'atmosphère, le flux descendant depuis l'atmosphère vers l'océan a donc fortement augmenté. Le flux compensatoire de l'océan vers l'atmosphère a lui aussi augmenté mais plus faiblement compte tenu du fait que le CO₂ dans l'atmosphère continue d'augmenter. Ce déséquilibre, explique donc que les océans se comportent comme un puit net de CO₂ vis-à-vis de notre perturbation anthropique. Différentes mesures de différents traceurs dans l'océan ont permis d'estimer la quantité totale de CO₂ intégrée par les océans sur toute la colonne d'eau (figure ci-dessous).

Cette représentation montre que les océans auraient absorbé environ 150 pétagrammes de carbone depuis le début de l'ère industrielle avec une importance des variations spatiales très fortes privilégiant des zones où l'on a des plongées d'eau profonde très fortes telles que dans l'Atlantique Nord, où l'on a stocké énormément de CO₂ (exprimé ici en moles par mètre carré), des zones où l'on a des remontées d'eau profonde et où donc le stockage anthropique du carbone anthropique est plus faible. Les mesures plus récentes sur les dernières décennies ont montré que ce puit augmentait fortement, notamment entre la décennie 90 et la dernière décennie, 2010.

3. La biosphère

Pour la biosphère, nous avons un phénomène similaire, dit « effet fertilisant » du CO₂ atmosphérique. Si l'on revient au principe de la photosynthèse, les plantes chlorophylliennes utilisent la lumière pour fixer le CO₂ de l'atmosphère et fabriquer des chaînes carbonées. Le CO₂ atmosphérique est un substrat qui est parfois limitant. Augmenter le CO₂ dans l'atmosphère permet donc d'augmenter l'assimilation de carbone. On a réalisé sur différents écosystèmes des expériences grandeur nature appelées expériences FACE où l'on a doublé la concentration de CO₂ avec des parcelles témoins à côté. Cela a permis de montrer une augmentation de la productivité primaire nette de ces écosystèmes entre 20 et 40 % selon les écosystèmes, avec une saturation au cours du temps. Cet effet se combine aussi avec d'autres effets pour la biosphère continentale, notamment l'impact du changement climatique, l'augmentation des températures à la surface de la terre ou le changement de distribution des précipitations. Cela influe directement sur le flux de photosynthèse mais aussi sur la dégradation du carbone stocké dans les sols, la matière organique des sols. De plus, nous avons aussi de par les activités humaines, différentes gestions des écosystèmes depuis un mode très extensif vers un mode très intensif où l'on fait des taillis à courte révolution pour les biocarburants. L’impact de ces différents modes de gestion est important sur le stockage net de carbone. Enfin la disponibilité en nutriments autres que le carbone, notamment les dépôts d'azote liés à toute l’activité industrielle depuis le début de l'ère industrielle, ont aussi eu un rôle fertilisant. On estime que depuis le début de l'ère industrielle, environ 150 pétagrammes de carbone - comme pour les océans -, ont été stockés additionnellement par les écosystèmes terrestres et essentiellement par les forêts. Les variations temporelles et spatiales de ce puit sont néanmoins très incertaines et cela constitue un enjeu de recherche actuel très fort. Notons que pour les écosystèmes terrestres, un flux similaire concomitant temporellement, ou lié à la déforestation a émis aussi dans l'atmosphère - comme je l'ai mentionné au tout début-,  à une quantité de carbone du même ordre de grandeur que ces 150 pétagrammes de carbone.

4. Bilan

Si on fait un bilan de la perturbation et de son évolution au cours du temps, la partie supérieure du graphique ci-dessous montre les émissions liées aux combustions fossiles et à la déforestation, estimées à environ 10 milliards de tonnes de carbone par an actuellement, et la partie en dessous du graphique va montrer le devenir de ce carbone dans l'atmosphère.

Tout d'abord, les mesures atmosphériques ont permis de quantifier la quantité stockée, environ 4 milliards de tonnes de carbone par an. Cette quantité est très variable d'année en année et augmente au cours du temps. Des mesures dans l'océan ont ensuite permis de quantifier la quantité de ce carbone anthropique réabsorbé par les océans. Il est beaucoup moins variable dans le temps et bien sûr, comme je l'ai expliqué par les mécanismes précédents, cette quantité de carbone stocké augmente au cours du temps. Par différence, on a donc pu déduire la quantité stockée dans les écosystèmes terrestres qui elle, est très variable cours des années. Ce graphique représente le bilan global avec donc un puit océanique pour la dernière décennie relativement élevé (d'environ 2,6 milliards de tonnes de carbone par an). Les mécanismes contrôlant la variabilité temporelle de ce puit de carbone par bassin, notamment l'impact des structures de la dynamique à petite échelle, des tourbillons, restent encore méconnus et incertains. Ils constituent des enjeux de recherche, tout comme l'impact du réchauffement et de l'acidification des océans sur le fonctionnement de la pompe biologique. Pour la biosphère continentale, les enjeux consistent à : 1) quantifier l'importance relative des différents mécanismes contribuant au stockage de carbone pour les différents écosystèmes ; 2) mieux comprendre le devenir du carbone stocké dans le permafrost des hautes latitudes actuellement ; 3) comprendre l'impact des extrêmes climatiques sur ce stockage de carbone ; 4) mieux quantifier les flux latéraux de carbone entre le réservoir terre et de l'océan.