The concentration of CO₂ in the atmosphere has risen from 285 parts per million (ppm) at the start of the industrial era (1850) to 417 ppm in 2022. Without the existence of these carbon sinks, it would have risen to around 600 ppm.

Plants and soils (together known as the "continental carbon sink") have already absorbed 32% of anthropogenic CO2 emissions since 1850. For the oceans, this proportion is around 26% ("oceanic carbon sink").

Given the difficulty of decarbonising human activities and the global economy, strengthening these natural carbon sinks is essential if we are to avoid exceeding the warming thresholds of 1.5 or 2°C.

These techniques, known as Carbon Dioxide Removal (CDR), include conventional approaches such as reforestation, as well as controversial proposals to enhance the marine carbon sink (known as Marine Carbon Dioxide Removal, or mCDR).

Dans l’océan, une capacité de stockage colossal

Une partie de l’intérêt à renforcer le puits de carbone océanique découle de l’ampleur de ce stock : l’océan contient 38 000 milliards de tonnes (ou gigatonnes, Gt) de carbone, soit 50 fois plus que l’atmosphère et 17 fois plus que le puits de carbone de la biosphère continentale.

Sa capacité de stockage s’explique par le fait que le CO₂ absorbé se transforme en deux autres formes inorganiques (les ions bicarbonate (HCO₃⁻) et carbonate (CO₃²⁻) qui représentent ensemble environ 98 % du stock de carbone océanique et n’interagissent pas avec l’atmosphère. Dans les océans, les organismes vivants ne représentent qu’une infime fraction du carbone total (0,01 %).

Contrairement à la biosphère continentale, où le contact avec l’atmosphère est constant, les flux de CO₂ entre l’atmosphère et l’océan sont pilotés par des processus physico-chimiques déterminés par le gradient de CO₂ à l’interface air-mer.

Deux propriétés chimiques de l’océan sont essentielles pour comprendre les différentes techniques de mCDR proposées :

• La première est sa capacité à stocker le carbone sous forme de carbone inorganique dissous (ou DIC) : c’est la somme des trois formes qui existent dans l’océan (CO₂ + HCO₃⁻ + CO₃²⁻).

• La seconde est l’alcalinité de l’océan, c’est-à-dire la capacité de l’eau à neutraliser les acides – soit l’équilibre entre les ions capables de céder ou recevoir un proton présents dans l’océan. C’est elle qui explique la répartition du carbone inorganique dissous entre ses trois formes possibles.

La théorie de l’élimination directe du carbone

Les approches qui veulent renforcer les puits de carbone marins se concentrent sur la réduction de la concentration de CO₂ dans les eaux de surface, afin d’amplifier le flux de carbone en provenance de l’atmosphère.

Pour y parvenir, il est possible de réduire la concentration de carbone inorganique dissous, par exemple en augmentant la quantité d’organismes marins pratiquant la photosynthèse, comme le phytoplancton ou les macroalgues.

On peut également y parvenir en augmentant l’alcalinité de l’eau de mer. On peut par exemple ajouter de la soude. Au final, cela permettrait d’augmenter la part de carbone inorganique dissoute sous forme de bicarbonate et de carbonate.

En théorie, chacune de ces approches permettrait d’augmenter les quantités de carbone stocké dans les océans :

• Soit en augmentant les flux dans les régions océaniques qui absorbent le CO₂ atmosphérique (par exemple, l’Atlantique Nord et l’océan Austral),

• Soit en diminuant les flux dans les régions où le dégazage de CO₂ dans l’atmosphère se produit (par exemple, le Pacifique équatorial).

Une efficacité sous conditions

Les simulations numériques pour les propositions de mCDR précedentes ont néanmoins mis en lumière plusieurs contraintes physico-chimiques et biologiques. Elles ont revu leur potentiel à la baisse.

L’amélioration de l’absorption biologique du carbone inorganique dissous, à travers par exemple la culture d’algues, semble prometteuse. Mais son efficacité varie énormément d’une région à l’autre et ne produit souvent pas les résultats attendus en termes d’élimination du carbone.

Contrairement au puits de carbone continental, où une augmentation de la production primaire nette de carbone entraîne une réduction équivalente du CO₂ atmosphérique, ce n’est pas le cas dans les océans.

• D’abord parce que le carbone inorganique dissous dans l’eau par des processus biologiques ne réduit pas toujours les concentrations de CO₂ dans l’eau.

• Et d’autre part parce que la circulation des masses d’eau signifie que les temps de résidence de l’eau de mer de surface sont souvent insuffisants pour maximiser le transfert de CO₂ de l’atmosphère vers l’océan.

Dans les simulations globales réalisées, seuls 70 à 80 % du carbone inorganique dissous capturé par par d’hypothétiques fermes de macroalgues sont effectivement remplacés par du carbone provenant de l’atmosphère.

Cette part peut même descendre à moins de 60 % lorsque les simulations prennent en compte les nutriments que doivent absorber les algues et les impacts sur le phytoplancton marin naturel, qui contribue également à réduire les concentrations de CO₂ dans la partie supérieure de l’océan.

Phytoplancton.

NOAA MESA Project, CC BY-NC-SA

Surveillance, reporting et vérification : un casse-tête

La plus grande difficulté concernant le recours aux techniques de mCDR réside probablement dans la surveillance, le reporting et la vérification de l’augmentation du stockage de carbone dans l’océan dans le monde réel.

C’est pourtant une condition préalable avant l’attribution de crédits carbone, l’intégration dans les contributions déterminées au niveau national (ou CDN, NDC en anglais, qui représentent les engagements des États dans le cadre de l’accord de Paris, ndlr), ou même l’actualisation des stocks de carbone à l’échelle mondiale.

Il n’est pas surprenant que l’eau de mer se déplace et que des actions comme la culture d’algues ou l’alcalinisation à un endroit donné puissent influencer l’absorption et le stockage du carbone océanique à des centaines de kilomètres de là.

Ces effets à distance, ainsi que la dissociation entre les flux de CO₂ air-mer en surface et le stockage du carbone dans l’océan en profondeur (contrairement à ce qui se produit sur terre) signifient que des réseaux d’observation étendus, des traceurs d’échanges gazeux et des simulations numériques seront probablement nécessaires pour permettre un tel ce suivi.

Même dans ces conditions, tout accroissement du stockage de carbone en mer serait une goutte d’eau dans l’océan, étant donné la quantité de carbone qui y est naturellement présente, et serait donc extrêmement difficile à quantifier.

Et dans la réalité ?

Reste la question : quelle quantité de carbone ces méthodes pourraient-elles extraire de l’atmosphère et quelles pourraient en être les implications ?

L’augmentation de l’alcalinité des océans à l’aide d’un minéral alcalin abondant tel que l’olivine a été estimée, dans le meilleur des cas, à un accroissement du stockage de carbone dans l’océan d’environ un Gt de CO₂ par Gt d’olivine ajoutée.

Si l’on voulait accroître l’absorption du carbone atmosphérique par les océans de 1 Gt de CO₂ par an (ce qui représente une augmentation d’environ 10 % par rapport au puits océanique en 2023), il faudrait donc transporter 1 Gt d’olivine vers les régions océaniques d’intérêts, soit 13 fois le poids de la pêche marine mondiale actuelle !

Compte tenu des émissions humaines actuelles, qui sont de 40 Gt de CO₂ par an, et de la nécessité d’atteindre des émissions nettes nulles au cours des prochaines décennies pour stabiliser le réchauffement à un niveau acceptable, l’élimination du dioxyde de carbone par les techniques de mCDR ne pourra pas se substituer à des réductions drastiques des émissions. Cette élimination pourrait permettre cependant de compenser des émissions résiduelles dans des secteurs difficiles à décarboner.

Lester Kwiatkowski, Research scientist, CNRS, Sorbonne Université

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.