"La pompe à carbone va t`elle s`essouffler" ?

Rapport d’étonnement La pompe à carbone va-t-elle s’essouffler ?
Chassagnette Nicolas Décembre 2003
IFI 2003 Option Energétique
Rapport d’étonnement.
La pompe à carbone va-t-elle s’essouffler ?
Actuellement, plus du quart des émissions humaines de carbone serait absorbées par les
océans. Des questions sont à se poser : Est ce que le changement climatique va bouleverser
de façon importante ou non la pompe à carbone ? Est ce que l'on doit stocker (injecter) le
carbone dans les profondeurs de l’océan ?
Position actuelle du problème.
Afin de bien resituer le problème, il est important de rappeler quelques chiffres. Le gaz
carbonique contribue à environ deux tiers du réchauffement de la terre à cause de l’activité
humaine. C’est donc le principale responsable du changement climatique global. Son
augmentation dans l’atmosphère résulte surtout de la combustion des énergies fossiles
(charbon, pétrole, gaz) et aussi le bois qui représente une petite contribution via la
déforestation. Cet accroissement, prédit par Arrenhius dés 1896, est mis en évidence par
l’américain Keeling Charles dans les années 1950 à Mauna Loa (Hawaï). Les mesures
effectuées en continu du CO2 dans l’atmosphère ont mis en évidence cet accroissement en
comparant les mesures avec des bulles d’air piégées dans la glace antarctique. En 2001, la
concentration moyenne du CO2 dans l’atmosphère a atteint la valeur record, depuis des
millions d’années, de 370 parties par millions (ppm), soit 30% de plus qu’en 1750. Divers
scénarios économiques existants prévoient la poursuite de cette hausse. Il est prévu pour 2100
un CO2 atmosphérique entre 540 et 970 ppm, soit environ le double de la valeur actuelle.
Figure 1 : Cycle du carbone
L’océan est donc au cœur de ce problème car il contient 40000 gigatonnes de carbone soit
cinquante fois plus que le réservoir atmosphérique (780 gigatonnes). Le problème est que l’on
cerne très mal sa réponse au changement climatique du fait des longues périodes à considérer.
En effet, les masses d’eau se mélangent à l’échelle planétaire en un million d’années environ.

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Chassagnette Nicolas Décembre 2003
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Cependant, il est estimé que l’océan absorbe à lui seul chaque année environ 2 gigatonnes de
carbone sur les 7 qui sont rejetés par l’homme.
Les trois phénomènes d’absorption.
Trois processus permettent d’expliquer ce phénomène.
Le premier s’apparente à la dissolution chimique du CO2 dans la couche de surface
océanique. Le gaz carbonique absorbé dans ce cas là ne représente que 1% du carbone total et
il est en équilibre (grâce à une réaction acido-basique) avec les ions carbonates (CO32-) et les
ions bicarbonates (HCO3-). Seulement, cette réaction se fait entre les 100 premiers mètres de
l’océan et l’atmosphère. Ce qui représente 2% de la masse océanique, donc une capacité de
dilution négligeable.
Le deuxième phénomène est la pompe physique dont le mécanisme est basé sur le
brassage des océans. En effet, les eaux tropicales chaudes sont entraînées vers les hautes
latitudes, elles se refroidissent et s’enrichissent en CO2, la solubilité du gaz carbonique
augmentant quand la température s’abaisse. Les latitudes polaires étant atteintes, ces eaux
refroidies (donc plus denses) se dirigent vers les profondeurs et entraînent avec elles
d’énormes quantités de carbone.
Le troisième phénomène est la pompe biologique dont l’activité s’apparente
au moment des périodes de floraison du plancton végétal dans la zone éclairée de l’océan
(zone euphotique). Ils se développent alors d’énormes volumes de matière organique, qui
fixent les atomes de carbone.
Par la suite, la restitution du carbone stocké dans l’océan s’effectue dans les régions ou les
remontées d’eaux profondes sont rapides. Ces zones sont essentiellement les zones dites de
upwelling (Pérou, Mauritanie, Californie, zones équatoriales) et le CO2 s’échappe vers
l’atmosphère.
Figure 2 : Schema de la pompe a carbone

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Chassagnette Nicolas Décembre 2003
IFI 2003 Option Energétique
Le changement climatique a une influence sur les trois phénomènes d’absorption.
Ce qui est dure a estimer est la capacité de l’océan a stocker le carbone. Les modèles actuelles
permettent d’affirmer que l’augmentation de puits océanique pourra répondre a
l’augmentation du CO2 atmosphérique. Mais il subsiste deux freins a cette évolution, le
première est que le puits de carbone aurait tendance a saturer a partir des années 2020-2030.
Le deuxième est une méconnaissance de ce bassin énorme ou s’effectuent des mélanges d’une
importance déterminante entre eaux profondes et superficielles.
Or, depuis quelques années, un phénomène a été pris en compte. C’est celui du
changement climatique qui pourrait avoir une incidence sur les trois phénomènes d’absorption
décrit avant dans le texte. En effet, le changement climatique se traduira par des modifications
de la température de l’eau, des courants marins, de la production biologique.
Le réchauffement des eaux pourrait avoir pour conséquence de réduire le puits. En effet une
augmentation de 2 ou 3 degrés celcius des eaux de surface (chiffre prévu si la quantité de CO2
est doublée dans l’atmosphère) diminue la solubilité du CO2 et donc la capacité de l’océan a
absorber le gaz carbonique de quelques pourcents.
De plus, en réponse a l’augmentation des températures, les modèles climatiques prédisent une
régression du mélange verticale servent a homogénéiser les eaux profondes et superficielles.
Ce qui pourrait entraîner a l’horizon 2100 une diminution du puits océanique de 25%.
Quand a la pompe biologique, son devenir est très difficile a prédire puisque la majorité des
modèles existants s’appuient sur l’hypothèse que la biomasse marine, responsable de la
fixation du CO2 sous forme de matière organique, ne sera pas perturbée par le changement
climatique. Malgré ces incertitudes, il y a une réponse sur, c’est que l’amoindrissement du
puits océanique est en relation directe avec le bouleversement climatique (réchauffement
climatique).

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Chassagnette Nicolas Décembre 2003
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Cycle de carbone dans le golfe de Saint Laurent.
Pour bien situer toutes les définitions ci dessus, il apparaît nécessaire de se situer dans un cas
réel. Un programme de mesures du flux de carbone du milieu marin a été effectué sur le site
de Saint Laurent. Cela permettra d’obtenir des séries temporelles de données
océanographiques sur plusieurs années afin de dégager, à partir des variations naturelles, le
signal climatique pouvant affecter la biologie des océans.
De plus un programme international JGOFS a pour but d’effectuer des expériences de
grande envergure dans différentes régions océaniques afin d’améliorer les connaissances sur
ce phénomène.
Figure 3 : Flux en gramme de carbone par mètre carré et par année (g C m-2 an-1)
.
Cette figure 3 montre que les échanges de carbone, sous forme de gaz carbonique (CO2) entre
l'atmosphère et les océans sont dominés par la photosynthèse des organismes
phytoplanctoniques qui incorporent le CO2 dans leurs tissus et par la respiration/dégradation
qui, au contraire, libère le CO2 et le retourne dans le milieu. Contrairement à la production
primaire qui ne s'effectue que dans les eaux de surface, la respiration quant à elle, peut avoir
lieu à toutes les profondeurs et même dans les sédiments.

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Chassagnette Nicolas Décembre 2003
IFI 2003 Option Energétique
L’explication plus détaillée de cette figure apparaît en Annexe 1 et après l’étude de ce texte, il
ne ressort les résultats suivants :
 Seulement 10 % du carbone se rend dans les eaux profondes où il peut être emprisonné
pour des décennies.
 Pas de connaissance sur la proportion de carbone reminéralisé dans la couche
intermédiaire.
Autre point à prendre en compte, est ce que l'on doit stocker (injecter) le carbone dans
les abysses ?
Les Etats Unis sont les premiers à avoir eu l'idée de stocker du carbone dans les abysses. En
effet, ils ont effectué des essais pour piéger le gaz carbonique émis par leur centrale thermique
dans de gigantesques réservoirs naturels souterrains. Une question importante à se poser est:
"Quelles en seraient les conséquences pour l'environnement?".
Les autorités américaines ne sont pas du tout enclin à diminuer leur production de CO2 et
elles sont vraiment intéressés par ce nouveau concept qui est le stockage du carbone dans les
fonds océaniques. Les autorités ont même créé, en mai 1999 le DOCS (Departement of
Energy's Center for research on Ocean Carbon), un centre dédié au stockage océanique du
carbone, auquel participe notamment le Masachusetts Institute of Technology, la NASA et
plusieurs laboratoires océanographiques.
Le stockage océanique offre beaucoup d’intérêt de part l'immensité du réservoir marin:
injecter dans l’océan une quantité de carbone équivalente à celle présente actuellement
présente dans l’atmosphère modifierait sa composition de moins de 2%.
Une réaction à ce phénomène a été énoncée par Ken Caldeira (spécialiste du cycle du carbone
et codirecteur du DOCS):
"Bien sur, aucun scientifique ne pense qu'il est bon de déverser des millions de tonnes de CO2
dans l'océan, mais le laisser dans l’atmosphère n'est guère mieux. Le stockage océanique ne
doit pas être une excuse pour polluer; mais il peut permettre de gagner le temps nécessaire
pour changer progressivement notre mode de vie."
Cette phrase démontre bien que l'on ne sait pas exactement l'impact du stockage du CO2 dans
l’océan mais les Américains sont prés à prendre le risque apparemment (le problème n'est pas
résolu mais repoussé).
L'injection en profondeur est en théorie possible, soit à l'aide d'un gazoduc, soit depuis un
bateau traînant un tuyau. Cependant, cette façon de procéder de heurte à trois difficultés
majeurs:
Du point de vue économique, la tonne de carbone injectée dans la mer coûterait de 100 à
300 dollars. En effet, il faut que le gaz carbonique soit raisonnablement pur. Or, les centrales
thermiques (1/3 des émissions globales de CO2) rejettent le gaz sous forme diluée aux cotés
d'autres produits de combustion. Ce coût est donc justifié par la nécessité de purifier, de
transporter et d'injecter une tonne de carbone.
La seconde difficulté est de savoir où et à quelle profondeur faut t'il injecter le gaz pour
minimiser la part relâchée dans l’atmosphère? En terme d'efficacité, différents modèles
océaniques sont utilisés et le laboratoire d’océanographie de Paris donne une efficacité de
98% après deux siècles pour une injection à 3000 m. Mais le problème majeur est que l’on a