Comment l’océan absorbe le CO2 : les modèles innovants de Laurent Bopp

Depuis 1850, 30 % du CO2 contenu dans l’atmosphère est absorbé par l’océan qui en contient lui-même 40 000 milliards de tonnes. « Comprendre le cycle du carbone dans le milieu océanique, c’est comprendre le lien entre les émissions de CO2 anthropique, l’évolution de ce gaz dans l’atmosphère et le changement climatique », explique Laurent Bopp directeur de recherche CNRS au Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD). 

Un processus physico-chimique

Le principe de fonctionnement du puits de carbone océanique est connu depuis longtemps et relève de mécanismes physico-chimiques : l’excès de CO2 présent dans l’atmosphère est dissous dans les couches supérieures de l’océan, se transforme en ions bicarbonate puis est transporté vers les profondeurs. C’est sur cette base qu’étaient établis les anciens modèles d’évaluation de ce puits de carbone. Mais tout n’est pas aussi simple.

Alors qu’il soutient sa thèse en 1998, Laurent Bopp commence à décortiquer le lien entre le changement climatique et l’efficacité du puits. À l’époque, le chercheur met en évidence l’impact du premier sur le second : d’une part l’élévation de la température de l’eau diminue la solubilité du gaz, et d’autre part elle favorise la stratification de l’océan (son organisation en couches différenciées par leur salinité, leur température, leur densité...), ce qui empêche le CO2 dissous dans les eaux de surface de pénétrer dans les couches plus profondes.« L’effet est négatif pour le puits de carbone qui voit sa capacité réduite et sature en CO2. Il contribue ainsi à une boucle de rétroaction positive pour le changement climatique, qui lui, est amplifié », résume le chercheur. 

Cette boucle de rétroaction climat-carbone, Laurent Bopp l’a modélisée et couplée aux outils utilisés par le GIEC** pour établir ses projections, contribuant alors à la détermination des objectifs d’émissions de carbone en fonction des ambitions climatiques internationales.  

Le scientifique n’en reste pas là et prend en compte dans ses modèles d’autres phénomènes affectant le cycle du carbone océanique, comme l’acidification de l’océan. Dans ce processus, le CO2 s’associe aux molécules d’eau pour former un acide qui lui-même libère des ions hydrogène et bicarbonate. « Or, là encore, une boucle de rétroaction se met en place car le CO2 réagit aussi avec les ions carbonates qui disparaissent au profit de l’hydrogène. L’océan est alors plus acide, moins efficace pour absorber le CO2, ce qui amplifie son acidification et ainsi de suite ». Ces travaux lui ont également permis de s’intéresser à l’impact de ce phénomène sur les écosystèmes. En effet, en captant les ions carbonates, le CO2 prive certaines espèces de la brique de base dont elles ont besoin pour fabriquer leur coquille ou leur squelette, ce qui est délétère pour elles. 

L’importance du vivant et de la pompe biologique

Outre l’acidification, le vivant subit également les variations de température et de circulation de l’océan. « La stratification, dont nous avons déjà parlé, ralentit la production de phytoplancton, l’empêche d’emporter le carbone qu’il a fixé vers les profondeurs et pourrait diminuer les capacités du puits de carbone océanique. Comprendre les effets du changement climatique sur cette pompe biologique est donc primordial ». Mais travailler avec le vivant est une tâche complexe qui soulève de nombreuses inconnues, parmi lesquelles les processus liés à l’évolution. Les simulations établies par le chercheur et son équipe montrent ainsi que le phytoplancton, avec son renouvellement générationnel quotidien, s’adapte rapidement à de nouvelles conditions environnementales. Le zooplancton, dont les individus vivent jusqu’à plusieurs mois ou années, laisse quant à lui entrevoir des processus évolutifs plus longs et des capacités d’adaptation moindres. « Nous essayons d’intégrer ces paramètres à nos modèles de cycle du carbone pour les rendre encore plus réalistes », souligne Laurent Bopp.

Rapprochons-nous à présent des littoraux. À l’interface océan/continent, les écosystèmes côtiers végétalisés (dits du carbone bleu) évoluent sur des surfaces réduites mais avec une capacité de stockage du carbone phénoménale. Pourtant, ils sont largement sous-représentés dans les modèles globaux du cycle du carbone. « Cela nécessite des coûts de calculs trop importants, donc les résolutions des modèles restent grossières. Un de nos projets est de pallier ce manque », s’enthousiasme le directeur de recherche. Ainsi, il sera possible d’évaluer l’impact des activités humaines sur ces espaces, comme les mangroves victimes de la déforestation. Par ricochet, les scientifiques observeront comment cela affecte les flux de carbone « atmosphère-mangrove », mais aussi « zones côtières-océan ouvert ».

S’adapter, atténuer, évaluer

De même, les solutions proposées dans la lutte contre le changement climatique pourront désormais être finement évaluées et quantifiées. Qu’il s’agisse de projets d’adaptation face aux effets du réchauffement – par exemple la conservation ou la restauration des écosystèmes du carbone bleu – ou des projets plus techniques d’atténuation.

« Nous avons par exemple montré et évalué les effets collatéraux de l’afforestation de zones côtières par des macro-algues. L’objectif est d’absorber davantage de CO2 mais nos outils ont montré que le phytoplancton ne trouve plus les éléments nutritifs dont il a besoin. Résultat, une nouvelle rétroaction impacte le puits de carbone océanique ». Idem pour un projet de fertilisation du phytoplancton par le fer, envisagé par le passé dans l’océan Austral. « Nous avons mis en évidence des répercussions jusque dans les zones tropicales où, du fait de la circulation océanique, la ressource halieutique ne dispose plus des nutriments dont elle a besoin, ce qui affecte la pêche locale ». À noter que, dans ce contexte, les outils développés par Laurent Bopp et son équipe peuvent contribuer à la mise en place de politiques régionales d’adaptation des stratégies de pêche face au changement climatique.

À propos de Laurent Bopp

Laurent Bopp est directeur de recherche CNRS, au Laboratoire de Météorologie Dynamique, climatologue et océanographe. Il a été élu membre de l’Académie des sciences en janvier 2025 et est médaille d’argent CNRS (2025). Il travaille sur le cycle du carbone dans l'océan et s’intéresse en particulier à l’évolution du puits de carbone océanique. Il étudie également l'acidification de l'océan et les impacts du changement climatique sur les écosystèmes marins. Laurent Bopp est auteur ou co-auteur de plus de 200 publications scientifiques dans des revues internationales et a participé comme auteur principal aux 5e et 6e rapports d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (Giec). Il a obtenu le prix des Sciences de la mer de l’Académie des sciences et est membre de l’Academia Europaea.

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>> La page de Laurent Bopp sur le site de l'IPSL

Crédit photo : Laurent Arduin pour le CNRS