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A bord du Découvreur R/V, Victoria Fabry s'interroge sur l'avenir.
Elle étudie les escargots marins qui commencent à disparaître - ces créatures gracieuses qui glissent dans l'eau grâce à des pieds semblables à des ailes. V. Fabry est déconcertée.
Ces escargots de la taille d'un bouton, appelés ptéropodes, sont des animaux robustes qui tourbillonnent dans les mers les plus froides du monde. Depuis 20 ans qu'elle observe ces escargots, ingrédient vital à la chaîne alimentaire des mers polaires, la biologiste marine de Cal State San Marcos n'avait jamais vu de tels dégâts.
Pendant une brève expérimentation à bord du navire fédéral de recherche voguant sur les mers démontées de l'Alaska, des ptéropodes ont été capturés et stockés dans des bocaux. Le dioxyde de carbone qu'ils ont exhalé a rendu plus acide l'eau à l'intérieur de ces bocaux. Quoique très léger, ce changement de la chimie de l'eau a abîmé les coquilles translucides des escargots. Après 36 heures, ils étaient piqués et couverts de taches blanches.
Les bocaux d'un litre d'eau de mer étaient un microcosme du changement qui s'opère actuellement de façon invisible, en haute mer partout dans ce vaste monde.
Comme l'activité industrielle rejette des quantités massives de dioxyde de carbone dans l'environnement, le gaz est absorbé par les océans.
En conséquence, l'eau de mer devient plus acide et une variété de créatures marines partage le même destin funeste que les ptéropodes de "Fabry".
Ces escargots de la taille d'un bouton, appelés ptéropodes, sont des animaux robustes qui tourbillonnent dans les mers les plus froides du monde. Depuis 20 ans qu'elle observe ces escargots, ingrédient vital à la chaîne alimentaire des mers polaires, la biologiste marine de Cal State San Marcos n'avait jamais vu de tels dégâts.
Pendant une brève expérimentation à bord du navire fédéral de recherche voguant sur les mers démontées de l'Alaska, des ptéropodes ont été capturés et stockés dans des bocaux. Le dioxyde de carbone qu'ils ont exhalé a rendu plus acide l'eau à l'intérieur de ces bocaux. Quoique très léger, ce changement de la chimie de l'eau a abîmé les coquilles translucides des escargots. Après 36 heures, ils étaient piqués et couverts de taches blanches.
Les bocaux d'un litre d'eau de mer étaient un microcosme du changement qui s'opère actuellement de façon invisible, en haute mer partout dans ce vaste monde.
Comme l'activité industrielle rejette des quantités massives de dioxyde de carbone dans l'environnement, le gaz est absorbé par les océans.
En conséquence, l'eau de mer devient plus acide et une variété de créatures marines partage le même destin funeste que les ptéropodes de "Fabry".
Le gaz à effet de serre, bien connu pour s'accumuler dans l'atmosphère et chauffer la planète, est absorbé par l'océan à un taux équivalent à presque 1 million de tonne par heure - soit 10 fois le volume naturel.
Les scientifiques annoncent que les mers deviennent plus acides aujourd'hui qu’elles ne l'ont été depuis au moins 650 000 ans.
Au taux actuel d'augmentation, on s'attend à ce que l'acidité océanique soit, vers la fin de ce siècle, 2 fois 1/2 plus élevé que ce qu'il était avant que le début de la révolution industrielle, il y a 200 ans. Si les prévisions s'avéraient justes, un tel changement détruirait beaucoup d'espèces de poissons et d'autres animaux qui ont prospéré dans l'eau de mer, chimiquement stable depuis des millions d'années.
Probablement moins affectées par ce phénomène, les algues, bactéries et autres formes primitives de vie prolifèrent déjà sur le dos des poissons, des mammifères marins et des coraux.
Les scientifiques annoncent que les mers deviennent plus acides aujourd'hui qu’elles ne l'ont été depuis au moins 650 000 ans.
Au taux actuel d'augmentation, on s'attend à ce que l'acidité océanique soit, vers la fin de ce siècle, 2 fois 1/2 plus élevé que ce qu'il était avant que le début de la révolution industrielle, il y a 200 ans. Si les prévisions s'avéraient justes, un tel changement détruirait beaucoup d'espèces de poissons et d'autres animaux qui ont prospéré dans l'eau de mer, chimiquement stable depuis des millions d'années.
Probablement moins affectées par ce phénomène, les algues, bactéries et autres formes primitives de vie prolifèrent déjà sur le dos des poissons, des mammifères marins et des coraux.
Dans quelques décennies, les récifs de corail encore vivants pourraient être trop fragiles pour résister au martèlement des vagues. Les coquilles pourraient devenir trop délicates pour protéger leurs occupants. Vers la fin du siècle, on s'attend à ce que presque tout l'océan polaire soit autant acidifié que l'eau du bocal responsable de tant de dégâts aux ptéropodes lors de l'expérimentation sur le bateau "le Discover".
Quelques biologistes marins prévoient déjà que ce changement des niveaux acidité aura des conséquences sur la pêche puisque la base de la chaîne alimentaire sera perturbée - c'est-à-dire le plancton animal et végétal et les animaux qui fournissent la nutrition de base de tous les êtres vivants de la mer.
Fabry, qui a récemment répondu aux questions devant le Sénat américain, a expliqué aux décideurs que les effets sur la vie marine pourraient être "directs et profonds."
"Il est possible que ce phénomène est un impact dévastateur pour les océans qui, dans un proche avenir, seront très différents de ce qu'ils sont aujourd'hui."
Les océans sont une éponge naturelle du dioxyde de carbone depuis toujours. Particulièrement après des désastres, lors des bombardements d'astéroïdes, ils ont agi comme une valve générale de sécurité, absorbant l'excès de CO2 et empêchant une surchauffe catastrophique de la planète.
D'après les scientifiques, sans cette aborbtion des océans, la Terre se serait réchauffée de 2 degrés au lieu d’1 au cours du dernier siècle. Les glaciers disparaîtraient plus rapidement encore, les sécheresses seraient plus importantes et le niveau des mers bien plus haut.
Quand le dioxyde de carbone est absorbé progressivement par l'océan, il n'y a que peu de conséquences. Une partie est utilisée pour la photosynthèse des plantes microscopiques, le plancton. Une autre partie l'est par des microorganismes pour produire les coquilles. Quand l'animal meurt, les coquilles vides sont rejetées sur le rivage. Les célèbres falaises blanches de Douvres sont constituées de ce matériau.
Aujourd'hui, cependant, l'absorption du dioxyde de carbone par la mer n'est pas du tout graduelle.
Les scientifiques évaluent à presque 500 milliards de tonnes de gaz absorbés par les océans depuis le début de la Révolution Industrielle. C'est plus qu'un quart de tout le CO2 que l'humanité a émis dans l'atmosphère. Finalement, on s'attend à ce que 80 % du dioxyde de carbone produit par l'homme se retrouve dans la mer.
Le dioxyde de carbone se déplace librement entre l'air et la mer dans un processus connu comme la diffusion moléculaire. L'échange se fait à la surface de l'eau. Le dioxyde de carbone circule partout où les concentrations sont les plus basses. Si les niveaux dans l'atmosphère sont élevés, le gaz pénètre dans l'océan. S'ils sont plus élevés dans la mer, comme ils ont été par le passé, le gaz quitte l'eau et se mélange à l'air.
Si le CO2 n'avait pas été pompé au dernier siècle par la mer, plus de gaz s'échapperait de la mer qu'il n'en rentrerait.
"Nous avons renversé complètement ce processus," prévient Ken Caldeira, expert en chimie océanique et en dioxyde de carbone au département de l'Institution Carnegie d'écologie mondiale, basée à l'Université de Stanford.
Quand le dioxyde de carbone se mélange avec l'eau de mer, il crée l'acide carbonique, l'acide faible que l'on retrouve dans des boissons gazeuses.
L'acidité accrue réduit l'abondance des formes chimiques d'un minéral appelé le carbonate de calcium, que les coraux et autres animaux de mer doivent produire pour leur coquilles et leurs squelettes. Cela ralentit aussi la croissance des animaux dans ces coquilles.
Même légèrement acidifiée, l'eau de mer devient toxique aux oeufs et larves de certaines espèces de poisson. Pour les autres, comme la Sériole couronnée et le flétan, cela peut leur causer des crises cardiaques, comme l'a démontré une expérimentation. Les eaux acidifiées ont aussi tendance à asphyxier les animaux qui ont besoin de beaucoup d'oxygène, comme le calmar qui nage très vite.
Le pH mesure si une substance est acide ou alcaline, selon une échelle de 1 à 14, 7 étant neutre. Plus le pH est bas, le plus élevée est l'acidité.
Chaque numéro représente un changement qui décuple l'acidité ou l'alcalinité.
Fabry, qui a récemment répondu aux questions devant le Sénat américain, a expliqué aux décideurs que les effets sur la vie marine pourraient être "directs et profonds."
"Il est possible que ce phénomène est un impact dévastateur pour les océans qui, dans un proche avenir, seront très différents de ce qu'ils sont aujourd'hui."
Les océans sont une éponge naturelle du dioxyde de carbone depuis toujours. Particulièrement après des désastres, lors des bombardements d'astéroïdes, ils ont agi comme une valve générale de sécurité, absorbant l'excès de CO2 et empêchant une surchauffe catastrophique de la planète.
D'après les scientifiques, sans cette aborbtion des océans, la Terre se serait réchauffée de 2 degrés au lieu d’1 au cours du dernier siècle. Les glaciers disparaîtraient plus rapidement encore, les sécheresses seraient plus importantes et le niveau des mers bien plus haut.
Quand le dioxyde de carbone est absorbé progressivement par l'océan, il n'y a que peu de conséquences. Une partie est utilisée pour la photosynthèse des plantes microscopiques, le plancton. Une autre partie l'est par des microorganismes pour produire les coquilles. Quand l'animal meurt, les coquilles vides sont rejetées sur le rivage. Les célèbres falaises blanches de Douvres sont constituées de ce matériau.
Aujourd'hui, cependant, l'absorption du dioxyde de carbone par la mer n'est pas du tout graduelle.
Les scientifiques évaluent à presque 500 milliards de tonnes de gaz absorbés par les océans depuis le début de la Révolution Industrielle. C'est plus qu'un quart de tout le CO2 que l'humanité a émis dans l'atmosphère. Finalement, on s'attend à ce que 80 % du dioxyde de carbone produit par l'homme se retrouve dans la mer.
Le dioxyde de carbone se déplace librement entre l'air et la mer dans un processus connu comme la diffusion moléculaire. L'échange se fait à la surface de l'eau. Le dioxyde de carbone circule partout où les concentrations sont les plus basses. Si les niveaux dans l'atmosphère sont élevés, le gaz pénètre dans l'océan. S'ils sont plus élevés dans la mer, comme ils ont été par le passé, le gaz quitte l'eau et se mélange à l'air.
Si le CO2 n'avait pas été pompé au dernier siècle par la mer, plus de gaz s'échapperait de la mer qu'il n'en rentrerait.
"Nous avons renversé complètement ce processus," prévient Ken Caldeira, expert en chimie océanique et en dioxyde de carbone au département de l'Institution Carnegie d'écologie mondiale, basée à l'Université de Stanford.
Quand le dioxyde de carbone se mélange avec l'eau de mer, il crée l'acide carbonique, l'acide faible que l'on retrouve dans des boissons gazeuses.
L'acidité accrue réduit l'abondance des formes chimiques d'un minéral appelé le carbonate de calcium, que les coraux et autres animaux de mer doivent produire pour leur coquilles et leurs squelettes. Cela ralentit aussi la croissance des animaux dans ces coquilles.
Même légèrement acidifiée, l'eau de mer devient toxique aux oeufs et larves de certaines espèces de poisson. Pour les autres, comme la Sériole couronnée et le flétan, cela peut leur causer des crises cardiaques, comme l'a démontré une expérimentation. Les eaux acidifiées ont aussi tendance à asphyxier les animaux qui ont besoin de beaucoup d'oxygène, comme le calmar qui nage très vite.
Le pH mesure si une substance est acide ou alcaline, selon une échelle de 1 à 14, 7 étant neutre. Plus le pH est bas, le plus élevée est l'acidité.
Chaque numéro représente un changement qui décuple l'acidité ou l'alcalinité.
Richard Feely
Pendant plus d'une décennie, des équipes dirigées par Richard Feely, un océanographe chimiste du Laboratoire d'Environnemental Marin du Pacifique de l'Administration Nationale Océanique et Atmosphérique de Seattle, a voyagé de l'Antarctique aux Îles Aleutian, prenant des dizaines de milliers d'échantillons d'eau pour mesurer comment l'acidité de l'océan change.
En comparant ces mesures aux niveaux passés de dioxyde de carbone préservé dans de la glace, les chercheurs ont déterminé que le pH moyen de la surface océanique a baissé depuis le début de la révolution industrielle d'0,1 unités, soit de 8.16 à 8.05.
Pour Feely, des rapports géologiques montrent qu'un tel changement n'est pas arrivé depuis 650 000 années.
En avril, Feely est revenu d'une croisière dans le Pacifique du Nord, où il a pris des mesures du pH aux emplacements où son équipe en 1991 avait prélevé des échantillons.
Cette fois, le groupe de Feely a constaté que le pH moyen dans les eaux de surface avaient chuté de 0.025 unités supplémentaires en 15 ans - ce qui semble être un relativement grand changement en un temps si court.
Les mesures confirment celles prises dans les années 1990 et indiquent que les prévisions d'une acidité élevée se confirment, révèle Feely.
Si les émissions de CO2 continuent à leur allure actuelle, on s'attend à ce que le pH de l'océan plonge à 7,9 ou plus bas vers la fin du siècle - soit un changement de 150 %.
La dernière fois que la chimie de l'océan a subi une transformation si radicale, d'après Caldeira "était quand les dinosaures se sont éteints."
En comparant ces mesures aux niveaux passés de dioxyde de carbone préservé dans de la glace, les chercheurs ont déterminé que le pH moyen de la surface océanique a baissé depuis le début de la révolution industrielle d'0,1 unités, soit de 8.16 à 8.05.
Pour Feely, des rapports géologiques montrent qu'un tel changement n'est pas arrivé depuis 650 000 années.
En avril, Feely est revenu d'une croisière dans le Pacifique du Nord, où il a pris des mesures du pH aux emplacements où son équipe en 1991 avait prélevé des échantillons.
Cette fois, le groupe de Feely a constaté que le pH moyen dans les eaux de surface avaient chuté de 0.025 unités supplémentaires en 15 ans - ce qui semble être un relativement grand changement en un temps si court.
Les mesures confirment celles prises dans les années 1990 et indiquent que les prévisions d'une acidité élevée se confirment, révèle Feely.
Si les émissions de CO2 continuent à leur allure actuelle, on s'attend à ce que le pH de l'océan plonge à 7,9 ou plus bas vers la fin du siècle - soit un changement de 150 %.
La dernière fois que la chimie de l'océan a subi une transformation si radicale, d'après Caldeira "était quand les dinosaures se sont éteints."
Piégeage et stockage du dioxyde de carbone
Jusqu'à présent, on a considéré l'océan comme un réservoir potentiel pour des gaz à effet de serre. Les scientifiques ont exploré la possibilité que le dioxyde de carbone pourrait être pris au piège dans des cheminées, compressé dans un liquide et canalisé directement dans la mer profonde.
Mais les résultats des expériences de Jim Barry ont commencé à arriver.
Biologiste de l'Institut de Recherches de l'Aquarium de Baie de Monterey, Barry a voulu comprendre ce qui arriverait aux organismes de mer vivant aux alentours d'une grande dose de dioxyde de carbone.
Il a fixé un jeu de petits anneaux en plastique sur le fonds pour créer une clôture et a envoyé un robot dans les profondeurs pour injecter du dioxyde de carbone liquide dans l'eau environnante. Ensuite il a attendu pour voir ce qu'il advenait aux animaux dans les clôtures et ceux qui traversaient le nuage de CO2.
Des étoiles de mer, des concombres de mer et des oursins sont morts immédiatement. Quatre-vingts % des animaux sont morts dans 90 cm de dioxyde de carbone. Les Animaux à 15 pieds de distance ont aussi péri en grand nombre.
"Quand ils étaient à côté du CO2, tout a péri," a dit Barry.
Les expériences en Allemagne, en Norvège et au Japon ont produit des résultats semblables. Ces preuves ont persuadé Barry comme le Ministère de l'Energie américain, qui a dépensé 22 millions de $ pour une telle recherche, de tirer la sonnette d'alarme.
Au lieu de cela, le département va étudier la possibilité de stocker le dioxyde de carbone dans la terre et de diminuer les émissions à leur source.
Les scientifiques disent que l'acidification des océans ne sera pas arrêtée à moins que la production de CO2 des usines, des centrales électriques et des automobiles ne soit considérablement réduite. Même maintenant, le problème pourrait être irréversible.
"Une chose que nous savons à coup sûr c'est que cela ne sera pas une bonne chose pour l'océan," conclut Barry. "Nous ne connaissons pas dans quelle proportion."
Les scientifiques prévoient que l'effet sera senti en premier dans les océans polaires et des profondeurs importantes, parce que l'eau froide absorbe plus de dioxyde de carbone que l'eau chaude. Un secteur particulièrement et immédiatement concerné est la Mer de Béring et d'autres mers autour de l'Alaska, lieux de pèche de la moitié du poisson américain et de ramassage de coquillages.
À cause de l'acidification, les eaux de la Mer de Béring à environ 280 pieds de profondeur transportent peu de matières nécessaires aux coraux et aux autres animaux pour qu'ils développent leurs coquilles et leurs squelettes.
Ces composantes chimiques sont normalement abondantes à de telles profondeurs. Dans des décennies qui viennent, on s'attend à ce que la zone appauvrie s'étende près de la surface. Une grande quantité de vie dans la mer sera alors affectée, s'inquiète Feely.
Mais les résultats des expériences de Jim Barry ont commencé à arriver.
Biologiste de l'Institut de Recherches de l'Aquarium de Baie de Monterey, Barry a voulu comprendre ce qui arriverait aux organismes de mer vivant aux alentours d'une grande dose de dioxyde de carbone.
Il a fixé un jeu de petits anneaux en plastique sur le fonds pour créer une clôture et a envoyé un robot dans les profondeurs pour injecter du dioxyde de carbone liquide dans l'eau environnante. Ensuite il a attendu pour voir ce qu'il advenait aux animaux dans les clôtures et ceux qui traversaient le nuage de CO2.
Des étoiles de mer, des concombres de mer et des oursins sont morts immédiatement. Quatre-vingts % des animaux sont morts dans 90 cm de dioxyde de carbone. Les Animaux à 15 pieds de distance ont aussi péri en grand nombre.
"Quand ils étaient à côté du CO2, tout a péri," a dit Barry.
Les expériences en Allemagne, en Norvège et au Japon ont produit des résultats semblables. Ces preuves ont persuadé Barry comme le Ministère de l'Energie américain, qui a dépensé 22 millions de $ pour une telle recherche, de tirer la sonnette d'alarme.
Au lieu de cela, le département va étudier la possibilité de stocker le dioxyde de carbone dans la terre et de diminuer les émissions à leur source.
Les scientifiques disent que l'acidification des océans ne sera pas arrêtée à moins que la production de CO2 des usines, des centrales électriques et des automobiles ne soit considérablement réduite. Même maintenant, le problème pourrait être irréversible.
"Une chose que nous savons à coup sûr c'est que cela ne sera pas une bonne chose pour l'océan," conclut Barry. "Nous ne connaissons pas dans quelle proportion."
Les scientifiques prévoient que l'effet sera senti en premier dans les océans polaires et des profondeurs importantes, parce que l'eau froide absorbe plus de dioxyde de carbone que l'eau chaude. Un secteur particulièrement et immédiatement concerné est la Mer de Béring et d'autres mers autour de l'Alaska, lieux de pèche de la moitié du poisson américain et de ramassage de coquillages.
À cause de l'acidification, les eaux de la Mer de Béring à environ 280 pieds de profondeur transportent peu de matières nécessaires aux coraux et aux autres animaux pour qu'ils développent leurs coquilles et leurs squelettes.
Ces composantes chimiques sont normalement abondantes à de telles profondeurs. Dans des décennies qui viennent, on s'attend à ce que la zone appauvrie s'étende près de la surface. Une grande quantité de vie dans la mer sera alors affectée, s'inquiète Feely.
Les premières victimes de l'acidification vont probablement être les coraux des eaux froides qui fournissent l'alimentation, l'abri et le lieu de reproduction pour des centaines d'espèce, y compris des espèces commercialement qui représente de la valeur comme le bar, le rustre, la perche océanique et la crevette de roche.
Vers la fin du siècle, 70 % des coraux d'eau froide seront exposés à ces eaux vidées des produits chimiques exigés pour fabriquer des squelettes vigoureux, estime John Guinotte, un expert dans des coraux à l'Institut de Biologie à but non lucratif de Conservation Marine à Washington Bellevue.
"Je l'assimile à l'ostéoporose des humains," dit Guinotte. "Vous ne pouvez pas construire une structure forte sans les matières premières."
On a découvert, il y a seulement deux décennies, des coraux d'eau froide, qui prospèrent à 4000 mètres de profondeur.
Ils hébergent des éponges qui promettent d'être des anti-cancers puissants et des agents antiviraux ; le médicament contre le SIDA AZT a été formulé utilisant des indices d'une éponge de corail. Les scientifiques craignent que ces écosystèmes uniques puissent être effacés avant qu'ils ne puissent être entièrement utilisés ou appréciés.
Des coraux tropicaux ne seront pas affectés aussi rapidement parce qu'ils vivent dans les eaux plus chaudes qui n'absorbent pas autant de dioxyde de carbone. Mais dans 100 ans, de grands récifs tropicaux - appelé les forêts tropicales de la mer à cause de leur biodiversité - peuvent survivre seulement dans des endroits près de l'équateur.
"25 % de toutes les espèces de l'océan vivent une partie de leur cycle de vie sur les récifs de corail. Nous avons peur de perdre ces habitats et leurs espèces qu'ils hébergent," s'inquiète Chris Langdon, un expert de corail à l'Université de Miami qui a conduit des expériences montrant que les coraux grandissent plus lentement quand ils sont exposés aux eaux acidifiées.
Des coraux d'eau chaude meurent déjà à de forts taux au moment où les océans se réchauffent suite au réchauffement climatique et blanchissent - perdent ou expulsent les algues symbiotiques qui fournissent la couleur vive et les substances nutritives nécessaires pour la survie. La pollution, comme le piétinement des touristes et le dynamitage des pêcheurs provoquent des pertes dévastatrices. on évalue à 20 % le taux des coraux disparus depuis 1980 dans le monde.
"Les Coraux deviennent serrés aux deux extrémités," a dit Joanie Kleypas, un écologiste de la mer et un expert du corail au Centre National pour la Recherche Atmosphérique dans le Boulder, Colorado.
La question pour les scientifiques est de savoir si les êtres vivants s'adapteront à l'acidification. Quelques animaux migreront-ils vers les eaux plus chaudes afin de ne pas perdre aussi rapidement leurs minéraux nécessaires à leur coquille? Certains survivront-ils malgré la nouvelle chimie ? Des chaînes alimentaires marines complexes seront-elles endommagées ?
Une expérience de laboratoire a montré que du plancton avec une coquille a prospéré alors qu'il était en condition de CO2 dans une forte proportion. Mais la plupart des recherches a montré que des animaux et les coraux arrêtent de grandir ou sont endommagés.
"Nous mettons beaucoup de foi en l’idée que les organismes peuvent s'adapter," se convainct Kleypas, "mais des organismes ne se sont pas probablement développés pour absorber ces grands changements."
La meilleure analogie à ce qui arrive aujourd'hui est dans ce que relatent les fossiles, il y a 55 millions d'années pendant le Paleocéne-éocène, quand la Terre a subi un des événements de réchauffement climatique les plus brusques et les plus extrêmes de l'histoire.
La température moyenne de la planète est montée de 9 degrés à cause d'une augmentation de gaz à effet de serre. 70 degrés étaient communs dans l'arctique. Le réchauffement soudain a changé les écosystèmes entiers des latitudes les plus froides comme des plus chaudes, et a conduit d'innombrables espèces océaniques à l'extinction.
Les géologues reconnaissent qu'un grand réchauffement est arrivé suite aux gaz à effet de serre, mais ils étaient encore incertains du volume de gaz impliqué ou du taux de variation de l'acidité des océans.
James Zachos, un paléo-océanographe à UC Santa Cruz, a fait une découverte importante en 2003 en forant dans des sédiments au fond de la mer à plus de 3 mille mètres de profondeur. Ces sédiments contiennent les couches de coquilles de planctons microscopiques. Leur composition chimique révèle quelles étaient les conditions océaniques quand ils se sont formés.
L'équipe internationale de Zachos a analysé des sédiments d'une série de carottes extraites dans le plancher de l'Océan Atlantique à 750 milles à l'Ouest de la Namibie. Au fond des carottes, l'équipe a trouvé des sédiments normaux, riches en carbonate de calcium provenant des coquilles- le signe d'un océan sain.
Mais plus haut, à un point dans l'histoire géologique lors dernier réchauffement climatique majeur, le limon blanchâtre, riche en carbonate a laissé la place à une couche d'argile rouge foncé sans coquilles. Les chercheurs ont conclu, que cela était la conséquence d'un océan fortement acidifié. Cet état a duré pendant 40 000 ou 50 000 ans. Il a fallu 60 000 ans avant que l'océan ne récupère et les sédiments n'apparaissent normal de nouveau.
Dans un papier publié l'année dernière dans le journal Science, l'équipe de Zachos a conclu que seulement une sortie massive de dioxyde de carbone pourrait avoir causé le réchauffement extrême que l'acidification des eaux océaniques.
Zachos a évalué que 4.5 trillions de tonnes de carbone sont entrés dans l'atmosphère pour déclencher cet événement.
Il pourrait prendre à la civilisation moderne seulement 300 ans pour lâcher la même quantité de carbone, selon une variété de projections effectuées par les chercheurs.
"Ce sera un choc beaucoup plus grand," dit Zachos. "Le changement du pH océanique superficiel actuel sera beaucoup plus extrême qu'il ne l'a été, il y a 55 millions d'années."
Site pour tout comprendre
Site en anglais
Site en français
Vers la fin du siècle, 70 % des coraux d'eau froide seront exposés à ces eaux vidées des produits chimiques exigés pour fabriquer des squelettes vigoureux, estime John Guinotte, un expert dans des coraux à l'Institut de Biologie à but non lucratif de Conservation Marine à Washington Bellevue.
"Je l'assimile à l'ostéoporose des humains," dit Guinotte. "Vous ne pouvez pas construire une structure forte sans les matières premières."
On a découvert, il y a seulement deux décennies, des coraux d'eau froide, qui prospèrent à 4000 mètres de profondeur.
Ils hébergent des éponges qui promettent d'être des anti-cancers puissants et des agents antiviraux ; le médicament contre le SIDA AZT a été formulé utilisant des indices d'une éponge de corail. Les scientifiques craignent que ces écosystèmes uniques puissent être effacés avant qu'ils ne puissent être entièrement utilisés ou appréciés.
Des coraux tropicaux ne seront pas affectés aussi rapidement parce qu'ils vivent dans les eaux plus chaudes qui n'absorbent pas autant de dioxyde de carbone. Mais dans 100 ans, de grands récifs tropicaux - appelé les forêts tropicales de la mer à cause de leur biodiversité - peuvent survivre seulement dans des endroits près de l'équateur.
"25 % de toutes les espèces de l'océan vivent une partie de leur cycle de vie sur les récifs de corail. Nous avons peur de perdre ces habitats et leurs espèces qu'ils hébergent," s'inquiète Chris Langdon, un expert de corail à l'Université de Miami qui a conduit des expériences montrant que les coraux grandissent plus lentement quand ils sont exposés aux eaux acidifiées.
Des coraux d'eau chaude meurent déjà à de forts taux au moment où les océans se réchauffent suite au réchauffement climatique et blanchissent - perdent ou expulsent les algues symbiotiques qui fournissent la couleur vive et les substances nutritives nécessaires pour la survie. La pollution, comme le piétinement des touristes et le dynamitage des pêcheurs provoquent des pertes dévastatrices. on évalue à 20 % le taux des coraux disparus depuis 1980 dans le monde.
"Les Coraux deviennent serrés aux deux extrémités," a dit Joanie Kleypas, un écologiste de la mer et un expert du corail au Centre National pour la Recherche Atmosphérique dans le Boulder, Colorado.
La question pour les scientifiques est de savoir si les êtres vivants s'adapteront à l'acidification. Quelques animaux migreront-ils vers les eaux plus chaudes afin de ne pas perdre aussi rapidement leurs minéraux nécessaires à leur coquille? Certains survivront-ils malgré la nouvelle chimie ? Des chaînes alimentaires marines complexes seront-elles endommagées ?
Une expérience de laboratoire a montré que du plancton avec une coquille a prospéré alors qu'il était en condition de CO2 dans une forte proportion. Mais la plupart des recherches a montré que des animaux et les coraux arrêtent de grandir ou sont endommagés.
"Nous mettons beaucoup de foi en l’idée que les organismes peuvent s'adapter," se convainct Kleypas, "mais des organismes ne se sont pas probablement développés pour absorber ces grands changements."
La meilleure analogie à ce qui arrive aujourd'hui est dans ce que relatent les fossiles, il y a 55 millions d'années pendant le Paleocéne-éocène, quand la Terre a subi un des événements de réchauffement climatique les plus brusques et les plus extrêmes de l'histoire.
La température moyenne de la planète est montée de 9 degrés à cause d'une augmentation de gaz à effet de serre. 70 degrés étaient communs dans l'arctique. Le réchauffement soudain a changé les écosystèmes entiers des latitudes les plus froides comme des plus chaudes, et a conduit d'innombrables espèces océaniques à l'extinction.
Les géologues reconnaissent qu'un grand réchauffement est arrivé suite aux gaz à effet de serre, mais ils étaient encore incertains du volume de gaz impliqué ou du taux de variation de l'acidité des océans.
James Zachos, un paléo-océanographe à UC Santa Cruz, a fait une découverte importante en 2003 en forant dans des sédiments au fond de la mer à plus de 3 mille mètres de profondeur. Ces sédiments contiennent les couches de coquilles de planctons microscopiques. Leur composition chimique révèle quelles étaient les conditions océaniques quand ils se sont formés.
L'équipe internationale de Zachos a analysé des sédiments d'une série de carottes extraites dans le plancher de l'Océan Atlantique à 750 milles à l'Ouest de la Namibie. Au fond des carottes, l'équipe a trouvé des sédiments normaux, riches en carbonate de calcium provenant des coquilles- le signe d'un océan sain.
Mais plus haut, à un point dans l'histoire géologique lors dernier réchauffement climatique majeur, le limon blanchâtre, riche en carbonate a laissé la place à une couche d'argile rouge foncé sans coquilles. Les chercheurs ont conclu, que cela était la conséquence d'un océan fortement acidifié. Cet état a duré pendant 40 000 ou 50 000 ans. Il a fallu 60 000 ans avant que l'océan ne récupère et les sédiments n'apparaissent normal de nouveau.
Dans un papier publié l'année dernière dans le journal Science, l'équipe de Zachos a conclu que seulement une sortie massive de dioxyde de carbone pourrait avoir causé le réchauffement extrême que l'acidification des eaux océaniques.
Zachos a évalué que 4.5 trillions de tonnes de carbone sont entrés dans l'atmosphère pour déclencher cet événement.
Il pourrait prendre à la civilisation moderne seulement 300 ans pour lâcher la même quantité de carbone, selon une variété de projections effectuées par les chercheurs.
"Ce sera un choc beaucoup plus grand," dit Zachos. "Le changement du pH océanique superficiel actuel sera beaucoup plus extrême qu'il ne l'a été, il y a 55 millions d'années."
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L'acidification de l'eau de mer
Dans 50 à 100 ans, les squelettes externes de certains organismes marins pourraient commencer à se dissoudre et à ne plus pouvoir se former menaçant la vie marine.
La cause ? L'acidification de l'eau de mer, entraînée par l'absorption par les océans du dioxyde de carbone en augmentation dans l'atmosphère. Ces travaux, menés par une équipe internationale composée notamment de chercheurs de trois laboratoires français (1) sont publiés dans la revue Nature du 29 septembre 2005.
En effet, l’océan mondial absorbe actuellement une quantité de dioxyde de carbone (CO2) sans précédent, ce qui augmente son acidité et menace probablement la survie à long-terme de beaucoup d'espèces marines, et plus spécifiquement les organismes contenant du carbonate de calcium dont la famille des coraux, les mollusques et crustacés ainsi que le phytoplancton. Selon les recherches présentées à un colloque organisé par la Commission Océanographique Intergouvernementale de l'UNESCO (COI) et le Comité de la Recherche Océanique du Conseil International pour la Science (SCOR) en mai 2004, ce changement pourrait perturber les chaînes alimentaires marines et altérer la biogéochimie des océans dans une proportion et d’une façon qui ne sont pas encore prévisible et compréhensible à ce jour.
L'océan est l'un des plus grands réservoirs naturels de carbone sur terre et il absorbe chaque année approximativement un tiers du dioxyde de carbone émis par les activités humaines. Selon les recherches menées par Christopher Sabine de la National Oceanographic and Atmospheric Administration aux Etats-Unis (NOAA, administration océanographique et atmosphérique nationale, agence d'Etat membre de la COI), l'océan a absorbé approximativement 120 milliards de tonnes de carbone produites par les activités humaines depuis 1800. L'IOC signale qu'environ 20-25 millions de tonnes de CO2 sont rajoutées chaque jour dans l’océan.
L'absorption du dioxyde de carbone par les océans est considérée comme un processus bénéfique qui réduit la concentration du CO2 dans l'atmosphère et atténue son impact sur les températures globales. Cependant, il y a une inquiétude croissante sur le prix à payer pour ce service. Pour les participants au colloque, il est maintenant bien établi que d’ici le milieu de ce siècle, le poid de l’accumulation du CO2 entrant dans l'océan mènera à des changements de pH ou d’acidité des couches supérieures qui seront d’une ampleur trois fois plus importante et 100 fois plus rapide que ceux subis entre les périodes glaciaires. Des changements aussi brutaux du système du CO2 dans les eaux de surface des océans n’ont pas été observés au cours de plus 20 millions d’années d’histoire terrestre, ont conclu les participants au colloque.
Les résultats initiaux des observations, des recherches et des modèles conduits jusqu'ici et présentés au colloque indiquent que dans un monde à fort taux de CO2 :
· l'océan serait globalement plus acide, et serait également plus stratifié dans les hautes latitudes. En outre les concentrations en nutriments dans les eaux de surface des régions de hautes latitudes seraient inférieures, les eaux de subsurface seraient moins oxygénées, et le phytoplancton subirait une exposition accrue à la lumière du soleil. Ces changements affecteraient beaucoup d'espèces et changeraient la composition des communautés biologiques dans une proportion et d’une façon qui ne sont pas encore prévisible et compréhensible à ce jour.
· Beaucoup d'organismes contenant du carbonate de calcium, dont certaines espèces de plancton et coraux, et également des organismes non carbonatés, ne pourraient plus se développer et se reproduire efficacement si le CO2 était supérieur et les niveaux de pH inférieurs. L’élévation des températures - combinées avec une augmentation du CO2 et une diminution du pH - constitue une menace sérieuse pour les récifs coraliens, menant probablement à l'élimination de certains récifs avant la fin de ce siècle
En utilisant des données récentes et 13 modèles numériques, une équipe d'océanographes Européens, Japonais, Australiens et Américains a simulé l'évolution des carbonates à partir des scénarios d'émissions de CO2 établis par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat.(GIEC).
Le scénario standard (2) prévoit que dans environ 50 ans les eaux de surface les plus froides de l'océan, comme en mer de Weddell au large de l'Antarctique, vont devenir corrosives pour une forme de calcaire appelée aragonite. Ainsi les « ptéropodes » sont en danger, la coquille de ces mollusques planctoniques qui nagent dans la couche supérieure de l'océan étant en aragonite. Et si le CO2 atmosphérique continue d'augmenter, il est très probable que vers la fin de ce siècle l'eau de mer devienne corrosive pour l'aragonite dans tout l'océan Austral ainsi que dans une partie du Pacifique Nord. Ces organismes calcaires, très abondants dans ces régions, pourraient donc ne plus être capables de constituer leur coquille. Un tel environnement corrosif serait sans précédent depuis probablement plusieurs millions d'années.
Pour compléter ces estimations, des expériences en mer ont montré que les coquilles des ptéropodes vivants se dissolvaient effectivement quand l'eau de mer atteignait les conditions corrosives prévues pour l'année 2100. La diminution des ptéropodes pourrait provoquer des réactions en chaîne, puisqu'ils constituent la nourriture de base d'organismes allant du zooplancton à la baleine, en passant par des espèces commercialement importantes comme les saumons dans le Pacifique Nord.
Les coraux sont également menacés par cette acidification, particulièrement ceux baignés dans les eaux froides, comme l'Océan Atlantique Nord, qui devraient se dissoudre en premier. Car si leur squelette de carbonate de calcium est indispensable pour leur propre développement, celui-ci fournit également l'habitat aux poissons hauturiers, aux anguilles, aux crabes, aux oursins... le squelette externe de ces derniers étant aussi menacé directement par l'acidification.
Préciser l'impact de ces changements sur les écosystèmes et la biodiversité est un défi que les recherches futures devront relever.
Notes :
1) Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE/IPSL : CEA – CNRS)
Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et analyses numériques (LOCEAN/IPSL : CNRS – IRD – MNHN – Université Paris 6)
Laboratoire d'études en géophysique et océanographie spatiales (LEGOS : CNRS – CNES – IRD – Université Toulouse 3)
2) Scénario IS92a « business-as-usual »
Références :
Anthropogenic ocean acidification over the twenty-first century and its impact on calcifying
organisms, Orr J. et al., Nature, 29 septembre 2005
The Oceans in a High CO2 World (colloque de l'UNESCO)
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L'océan est l'un des plus grands réservoirs naturels de carbone sur terre et il absorbe chaque année approximativement un tiers du dioxyde de carbone émis par les activités humaines. Selon les recherches menées par Christopher Sabine de la National Oceanographic and Atmospheric Administration aux Etats-Unis (NOAA, administration océanographique et atmosphérique nationale, agence d'Etat membre de la COI), l'océan a absorbé approximativement 120 milliards de tonnes de carbone produites par les activités humaines depuis 1800. L'IOC signale qu'environ 20-25 millions de tonnes de CO2 sont rajoutées chaque jour dans l’océan.
L'absorption du dioxyde de carbone par les océans est considérée comme un processus bénéfique qui réduit la concentration du CO2 dans l'atmosphère et atténue son impact sur les températures globales. Cependant, il y a une inquiétude croissante sur le prix à payer pour ce service. Pour les participants au colloque, il est maintenant bien établi que d’ici le milieu de ce siècle, le poid de l’accumulation du CO2 entrant dans l'océan mènera à des changements de pH ou d’acidité des couches supérieures qui seront d’une ampleur trois fois plus importante et 100 fois plus rapide que ceux subis entre les périodes glaciaires. Des changements aussi brutaux du système du CO2 dans les eaux de surface des océans n’ont pas été observés au cours de plus 20 millions d’années d’histoire terrestre, ont conclu les participants au colloque.
Les résultats initiaux des observations, des recherches et des modèles conduits jusqu'ici et présentés au colloque indiquent que dans un monde à fort taux de CO2 :
· l'océan serait globalement plus acide, et serait également plus stratifié dans les hautes latitudes. En outre les concentrations en nutriments dans les eaux de surface des régions de hautes latitudes seraient inférieures, les eaux de subsurface seraient moins oxygénées, et le phytoplancton subirait une exposition accrue à la lumière du soleil. Ces changements affecteraient beaucoup d'espèces et changeraient la composition des communautés biologiques dans une proportion et d’une façon qui ne sont pas encore prévisible et compréhensible à ce jour.
· Beaucoup d'organismes contenant du carbonate de calcium, dont certaines espèces de plancton et coraux, et également des organismes non carbonatés, ne pourraient plus se développer et se reproduire efficacement si le CO2 était supérieur et les niveaux de pH inférieurs. L’élévation des températures - combinées avec une augmentation du CO2 et une diminution du pH - constitue une menace sérieuse pour les récifs coraliens, menant probablement à l'élimination de certains récifs avant la fin de ce siècle
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Pour compléter ces estimations, des expériences en mer ont montré que les coquilles des ptéropodes vivants se dissolvaient effectivement quand l'eau de mer atteignait les conditions corrosives prévues pour l'année 2100. La diminution des ptéropodes pourrait provoquer des réactions en chaîne, puisqu'ils constituent la nourriture de base d'organismes allant du zooplancton à la baleine, en passant par des espèces commercialement importantes comme les saumons dans le Pacifique Nord.
Les coraux sont également menacés par cette acidification, particulièrement ceux baignés dans les eaux froides, comme l'Océan Atlantique Nord, qui devraient se dissoudre en premier. Car si leur squelette de carbonate de calcium est indispensable pour leur propre développement, celui-ci fournit également l'habitat aux poissons hauturiers, aux anguilles, aux crabes, aux oursins... le squelette externe de ces derniers étant aussi menacé directement par l'acidification.
Préciser l'impact de ces changements sur les écosystèmes et la biodiversité est un défi que les recherches futures devront relever.
Notes :
1) Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE/IPSL : CEA – CNRS)
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Laboratoire d'études en géophysique et océanographie spatiales (LEGOS : CNRS – CNES – IRD – Université Toulouse 3)
2) Scénario IS92a « business-as-usual »
Références :
Anthropogenic ocean acidification over the twenty-first century and its impact on calcifying
organisms, Orr J. et al., Nature, 29 septembre 2005
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Auteur : notre-planete.info (Christophe Magdelaine)
A Chemical Imbalance
Growing seawater acidity threatens to wipe out coral, fish and other crucial species worldwide.
By Usha Lee McFarling
Times Staff Writer
August 3, 2006
As she stared down into a wide-mouthed plastic jar aboard the R/V Discoverer, Victoria Fabry peered into the future.
The marine snails she was studying — graceful creatures with wing-like feet that help them glide through the water — had started to dissolve.
Fabry was taken aback. The button-sized snails, called pteropods, are hardy animals that swirl in dense patches in some of the world's coldest seas. In 20 years of studying the snails, a vital ingredient in the polar food supply, the marine biologist from Cal State San Marcos had never seen such damage.
In a brief experiment aboard the federal research vessel plowing through rough Alaskan seas, the pteropods were sealed in jars. The carbon dioxide they exhaled made the water inside more acidic. Though slight, this change in water chemistry ravaged the snails' translucent shells. After 36 hours, they were pitted and covered with white spots.
The one-liter jars of seawater were a microcosm of change now occurring invisibly throughout the world's vast, open seas.
As industrial activity pumps massive amounts of carbon dioxide into the environment, more of the gas is being absorbed by the oceans. As a result, seawater is becoming more acidic, and a variety of sea creatures await the same dismal fate as Fabry's pteropods.
The greenhouse gas, best known for accumulating in the atmosphere and heating the planet, is entering the ocean at a rate of nearly 1 million tons per hour — 10 times the natural rate.
Scientists report that the seas are more acidic today than they have been in at least 650,000 years. At the current rate of increase, ocean acidity is expected, by the end of this century, to be 2 1/2 times what it was before the Industrial Revolution began 200 years ago. Such a change would devastate many species of fish and other animals that have thrived in chemically stable seawater for millions of years.
Less likely to be harmed are algae, bacteria and other primitive forms of life that are already proliferating at the expense of fish, marine mammals and corals.
In a matter of decades, the world's remaining coral reefs could be too brittle to withstand pounding waves. Shells could become too fragile to protect their occupants. By the end of the century, much of the polar ocean is expected to be as acidified as the water that did such damage to the pteropods aboard the Discoverer.
Some marine biologists predict that altered acid levels will disrupt fisheries by melting away the bottom rungs of the food chain — tiny planktonic plants and animals that provide the basic nutrition for all living things in the sea.
Fabry, who recently testified on the issue before the U.S. Senate, told policymakers that the effects on marine life could be "direct and profound."
"The potential is there to have a devastating impact," Fabry said, "for the oceans to be very, very different in the near future than they are today."
The oceans have been a natural sponge for carbon dioxide from time immemorial. Especially after calamities such as asteroid strikes, they have acted as a global safety valve, soaking up excess CO2 and preventing catastrophic overheating of the planet.
If not for the oceans, the Earth would have warmed by 2 degrees instead of 1 over the last century, scientists say. Glaciers would be disappearing faster than they are, droughts would be more widespread and rising sea levels would be more pronounced.
When carbon dioxide is added to the ocean gradually, it does little harm. Some of it is taken up during photosynthesis by microscopic plants called phytoplankton. Some of it is used by microorganisms to build shells. After their inhabitants die, the empty shells rain down on the seafloor in a kind of biological snow. The famed white cliffs of Dover are made of this material.
Today, however, the addition of carbon dioxide to the seas is anything but gradual.
Scientists estimate that nearly 500 billion tons of the gas have been absorbed by the oceans since the start of the Industrial Revolution. That is more than a fourth of all the CO2 that humanity has emitted into the atmosphere. Eventually, 80% of all human-generated carbon dioxide is expected to find its way into the sea.
Carbon dioxide moves freely between air and sea in a process known as molecular diffusion. The exchange occurs in a film of water at the surface. Carbon dioxide travels wherever concentrations are lowest. If levels in the atmosphere are high, the gas goes into the ocean. If they are higher in the sea, as they have been for much of the past, the gas leaves the water and enters the air.
If not for the CO2 pumped into the skies in the last century, more of the gas would leave the sea than would enter it.
"We have reversed that direction," said Ken Caldeira, an expert on ocean chemistry and carbon dioxide at the Carnegie Institution's department of global ecology, based at Stanford University.
When carbon dioxide mixes with seawater, it creates carbonic acid, the weak acid in carbonated drinks.
Increased acidity reduces the abundance of the right chemical forms of a mineral called calcium carbonate, which corals and other sea animals need to build shells and skeletons. It also slows the growth of the animals within those shells.
Even slightly acidified seawater is toxic to the eggs and larvae of some fish species. In others, including amberjack and halibut, it can cause heart attacks, experiments show. Acidified waters also tend to asphyxiate animals that require a lot of oxygen, such as fast-swimming squid.
The pH scale, a measure of how acidic or alkaline a substance is, ranges from 1 to 14, with 7 being neutral. The lower the pH, the greater the acidity. Each number represents a tenfold change in acidity or alkalinity.
For more than a decade, teams led by Richard Feely, a chemical oceanographer at the National Oceanic and Atmospheric Administration's Pacific Marine Environmental Laboratory in Seattle, have traveled from Antarctica to the Aleutian Islands, taking tens of thousands of water samples to gauge how the ocean's acidity is changing.
By comparing these measurements to past levels of carbon dioxide preserved in ice cores, the researchers determined that the average pH of the ocean surface has declined since the beginning of the Industrial Revolution by 0.1 units, from 8.16 to 8.05.
Geological records show that such a change has not occurred in 650,000 years, Feely said.
In April, Feely returned from a cruise to the North Pacific, where he took pH measurements at locations the team first sampled in 1991. This time, Feely's group found that the average pH in surface waters had dropped an additional 0.025 units in 15 years — a relatively large change for such a short time.
The measurements confirm those taken in the 1990s and indicate that forecasts of increased acidity are on target, Feely said.
If CO2 emissions continue at their current pace, the pH of the ocean is expected to dip to 7.9 or lower by the end of the century — a 150% change.
The last time ocean chemistry underwent such a radical transformation, Caldeira said, "was when the dinosaurs went extinct."
Until recently, the ocean was seen as a potential reservoir for greenhouse gases. Scientists explored the possibility that carbon dioxide could be trapped in smokestacks, compressed into a gooey liquid and piped directly into the deep sea.
Then the results of Jim Barry's experiments started trickling in.
A biologist at the Monterey Bay Aquarium Research Institute, Barry wanted to know what would happen to sea creatures in the vicinity of a large dose of carbon dioxide.
He anchored a set of small plastic rings onto the seafloor to create an enclosure and sent a robot down to squirt liquid carbon dioxide into the surrounding water. Then he waited to see what would happen to animals in the enclosures and those that happened to swim through the CO2 cloud.
Sea stars, sea cucumbers and sea urchins died immediately. Eighty percent of animals within three feet of the carbon dioxide died. Animals 15 feet away also perished in large numbers.
"When they were adjacent to the CO2 plume, pretty much, it killed everything," Barry said.
Experiments in Germany, Norway and Japan produced similar results. The evidence persuaded the U.S. Department of Energy, which had spent $22 million on such research, including Barry's, to pull the plug . Instead, the department will study the possibility of storing carbon dioxide in the ground and on decreasing emissions at their source.
Scientists say the acidification of the oceans won't be arrested unless the output of CO2 from factories, power plants and automobiles is substantially reduced. Even now, the problem may be irreversible.
"One thing we know for certain is it's not going to be a good thing for the ocean," Barry said. "We just don't know how bad it will be."
Scientists predict the effect will be felt first in the polar oceans and at lower depths, because cold water absorbs more carbon dioxide than warm water. One area of immediate concern is the Bering Sea and other waters around Alaska, home to half of the commercial U.S. fish and shellfish catch.
Because of acidification, waters in the Bering Sea about 280 feet down are running short of the materials that corals and other animals need to grow shells and skeletons. These chemical building blocks are normally abundant at such depths. In coming decades, the impoverished zone is expected to reach closer to the surface. A great quantity of sea life would then be affected.
"I'm getting nervous about that," Feely said.
The first victims of acidification are likely to be cold-water corals that provide food, shelter and reproductive grounds for hundreds of species, including commercially valuable ones such as sea bass, snapper, ocean perch and rock shrimp.
By the end of the century, 70% of cold-water corals will be exposed to waters stripped of the chemicals required for sturdy skeletons, said John Guinotte, an expert on corals at the nonprofit Marine Conservation Biology Institute in Bellevue, Wash.
"I liken it to osteoporosis in humans," Guinotte said. "You just can't build a strong structure without the right materials."
Cold-water corals, which thrive in waters as deep as three miles, were discovered only two decades ago. They harbor sponges, which show promise as powerful anti-cancer and antiviral agents; the AIDS drug AZT was formulated using clues from a coral sponge. Scientists fear that these unique ecosystems may be obliterated before they can be fully utilized or appreciated.
Tropical corals will not be affected as quickly because they live in warmer waters that do not absorb as much carbon dioxide. But in 100 years, large tropical reefs — called rain forests of the sea because of their biodiversity — may survive only in patches near the equator.
"Twenty-five percent of all species in the ocean live part of their life cycle on coral reefs. We're afraid we're going to lose these habitats and these species," said Chris Langdon, a coral expert at the University of Miami who has conducted experiments showing that corals grow more slowly when exposed to acidified waters.
Warm-water corals are already dying at high rates as global warming heats oceans and causes corals to "bleach" — lose or expel the symbiotic algae that provide vivid color and nutrients necessary for survival. Pollution, trampling by tourists and dynamiting by fishermen also take a devastating toll. An estimated 20% of the world's corals have disappeared since 1980.
"Corals are getting squeezed from both ends," said Joanie Kleypas, a marine ecologist and coral expert at the National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colo.
The question for scientists is whether living things will adapt to acidification. Will some animals migrate to warmer waters that don't lose shell-building minerals as quickly? Will some survive despite the new chemistry? Will complex marine food chains be harmed?
One laboratory experiment showed that a strain of shelled plankton thrived in higher CO2 conditions. But most research has shown that shelled animals and corals stop growing or are damaged.
"We put a lot of faith in the idea that organisms can adapt," Kleypas said, "but organisms have probably not evolved to handle these big changes."
The best analogy to what is occurring today is in the fossil records of a 55-million-year-old event known as the Paleocene-Eocene Thermal Maximum, when the Earth underwent one of the most abrupt and extreme global warming events in history.
The average temperature of the planet rose 9 degrees because of an increase in greenhouse gases. Balmy 70-degree days were common in the Arctic. The sudden warming shifted entire ecosystems to higher and cooler latitudes and drove myriad ocean species to extinction.
Geologists agree that a great warming occurred as a result of greenhouse gases, but until recently were uncertain about the volume of gas involved or how much the acidity of the oceans changed.
James Zachos, a paleo-oceanographer at UC Santa Cruz, made an important discovery in 2003 by drilling into seabed sediments more than two miles beneath the ocean's surface. This muck contains layers of microscopic plankton shells. Their chemical composition reveals what ocean conditions were like when they formed.
Zachos' international team analyzed sediments from a series of cores taken from the floor of the Atlantic Ocean 750 miles west of Namibia. At the bottom of the cores, the team found normal sediments, rich in calcium carbonate from shells — the sign of a healthy ocean.
But higher up, at a point in geologic history when the last major global warming event occurred, the whitish, carbonate-rich ooze gave way to a dark red clay layer free of shells. That condition, the researchers concluded, was caused by a highly acidified ocean. This state of affairs lasted for 40,000 or 50,000 years. It took 60,000 years before the ocean recovered and the sediments appeared normal again.
In a paper published last year in the journal Science, Zachos' team concluded that only a massive release of carbon dioxide could have caused both extreme warming and acidification of ocean waters.
Zachos estimated that 4.5 trillion tons of carbon entered the atmosphere to trigger the event.
It could take modern civilization just 300 years to unleash the same quantity of carbon, according to a variety of projections by researchers.
"This will be a much greater shock," Zachos said. "The change in modern surface ocean pH will be much more extreme than it was 55 million years ago."
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Times staff writer Kenneth R. Weiss contributed to this report.
Site recapitulatif
By Usha Lee McFarling
Times Staff Writer
August 3, 2006
As she stared down into a wide-mouthed plastic jar aboard the R/V Discoverer, Victoria Fabry peered into the future.
The marine snails she was studying — graceful creatures with wing-like feet that help them glide through the water — had started to dissolve.
Fabry was taken aback. The button-sized snails, called pteropods, are hardy animals that swirl in dense patches in some of the world's coldest seas. In 20 years of studying the snails, a vital ingredient in the polar food supply, the marine biologist from Cal State San Marcos had never seen such damage.
In a brief experiment aboard the federal research vessel plowing through rough Alaskan seas, the pteropods were sealed in jars. The carbon dioxide they exhaled made the water inside more acidic. Though slight, this change in water chemistry ravaged the snails' translucent shells. After 36 hours, they were pitted and covered with white spots.
The one-liter jars of seawater were a microcosm of change now occurring invisibly throughout the world's vast, open seas.
As industrial activity pumps massive amounts of carbon dioxide into the environment, more of the gas is being absorbed by the oceans. As a result, seawater is becoming more acidic, and a variety of sea creatures await the same dismal fate as Fabry's pteropods.
The greenhouse gas, best known for accumulating in the atmosphere and heating the planet, is entering the ocean at a rate of nearly 1 million tons per hour — 10 times the natural rate.
Scientists report that the seas are more acidic today than they have been in at least 650,000 years. At the current rate of increase, ocean acidity is expected, by the end of this century, to be 2 1/2 times what it was before the Industrial Revolution began 200 years ago. Such a change would devastate many species of fish and other animals that have thrived in chemically stable seawater for millions of years.
Less likely to be harmed are algae, bacteria and other primitive forms of life that are already proliferating at the expense of fish, marine mammals and corals.
In a matter of decades, the world's remaining coral reefs could be too brittle to withstand pounding waves. Shells could become too fragile to protect their occupants. By the end of the century, much of the polar ocean is expected to be as acidified as the water that did such damage to the pteropods aboard the Discoverer.
Some marine biologists predict that altered acid levels will disrupt fisheries by melting away the bottom rungs of the food chain — tiny planktonic plants and animals that provide the basic nutrition for all living things in the sea.
Fabry, who recently testified on the issue before the U.S. Senate, told policymakers that the effects on marine life could be "direct and profound."
"The potential is there to have a devastating impact," Fabry said, "for the oceans to be very, very different in the near future than they are today."
The oceans have been a natural sponge for carbon dioxide from time immemorial. Especially after calamities such as asteroid strikes, they have acted as a global safety valve, soaking up excess CO2 and preventing catastrophic overheating of the planet.
If not for the oceans, the Earth would have warmed by 2 degrees instead of 1 over the last century, scientists say. Glaciers would be disappearing faster than they are, droughts would be more widespread and rising sea levels would be more pronounced.
When carbon dioxide is added to the ocean gradually, it does little harm. Some of it is taken up during photosynthesis by microscopic plants called phytoplankton. Some of it is used by microorganisms to build shells. After their inhabitants die, the empty shells rain down on the seafloor in a kind of biological snow. The famed white cliffs of Dover are made of this material.
Today, however, the addition of carbon dioxide to the seas is anything but gradual.
Scientists estimate that nearly 500 billion tons of the gas have been absorbed by the oceans since the start of the Industrial Revolution. That is more than a fourth of all the CO2 that humanity has emitted into the atmosphere. Eventually, 80% of all human-generated carbon dioxide is expected to find its way into the sea.
Carbon dioxide moves freely between air and sea in a process known as molecular diffusion. The exchange occurs in a film of water at the surface. Carbon dioxide travels wherever concentrations are lowest. If levels in the atmosphere are high, the gas goes into the ocean. If they are higher in the sea, as they have been for much of the past, the gas leaves the water and enters the air.
If not for the CO2 pumped into the skies in the last century, more of the gas would leave the sea than would enter it.
"We have reversed that direction," said Ken Caldeira, an expert on ocean chemistry and carbon dioxide at the Carnegie Institution's department of global ecology, based at Stanford University.
When carbon dioxide mixes with seawater, it creates carbonic acid, the weak acid in carbonated drinks.
Increased acidity reduces the abundance of the right chemical forms of a mineral called calcium carbonate, which corals and other sea animals need to build shells and skeletons. It also slows the growth of the animals within those shells.
Even slightly acidified seawater is toxic to the eggs and larvae of some fish species. In others, including amberjack and halibut, it can cause heart attacks, experiments show. Acidified waters also tend to asphyxiate animals that require a lot of oxygen, such as fast-swimming squid.
The pH scale, a measure of how acidic or alkaline a substance is, ranges from 1 to 14, with 7 being neutral. The lower the pH, the greater the acidity. Each number represents a tenfold change in acidity or alkalinity.
For more than a decade, teams led by Richard Feely, a chemical oceanographer at the National Oceanic and Atmospheric Administration's Pacific Marine Environmental Laboratory in Seattle, have traveled from Antarctica to the Aleutian Islands, taking tens of thousands of water samples to gauge how the ocean's acidity is changing.
By comparing these measurements to past levels of carbon dioxide preserved in ice cores, the researchers determined that the average pH of the ocean surface has declined since the beginning of the Industrial Revolution by 0.1 units, from 8.16 to 8.05.
Geological records show that such a change has not occurred in 650,000 years, Feely said.
In April, Feely returned from a cruise to the North Pacific, where he took pH measurements at locations the team first sampled in 1991. This time, Feely's group found that the average pH in surface waters had dropped an additional 0.025 units in 15 years — a relatively large change for such a short time.
The measurements confirm those taken in the 1990s and indicate that forecasts of increased acidity are on target, Feely said.
If CO2 emissions continue at their current pace, the pH of the ocean is expected to dip to 7.9 or lower by the end of the century — a 150% change.
The last time ocean chemistry underwent such a radical transformation, Caldeira said, "was when the dinosaurs went extinct."
Until recently, the ocean was seen as a potential reservoir for greenhouse gases. Scientists explored the possibility that carbon dioxide could be trapped in smokestacks, compressed into a gooey liquid and piped directly into the deep sea.
Then the results of Jim Barry's experiments started trickling in.
A biologist at the Monterey Bay Aquarium Research Institute, Barry wanted to know what would happen to sea creatures in the vicinity of a large dose of carbon dioxide.
He anchored a set of small plastic rings onto the seafloor to create an enclosure and sent a robot down to squirt liquid carbon dioxide into the surrounding water. Then he waited to see what would happen to animals in the enclosures and those that happened to swim through the CO2 cloud.
Sea stars, sea cucumbers and sea urchins died immediately. Eighty percent of animals within three feet of the carbon dioxide died. Animals 15 feet away also perished in large numbers.
"When they were adjacent to the CO2 plume, pretty much, it killed everything," Barry said.
Experiments in Germany, Norway and Japan produced similar results. The evidence persuaded the U.S. Department of Energy, which had spent $22 million on such research, including Barry's, to pull the plug . Instead, the department will study the possibility of storing carbon dioxide in the ground and on decreasing emissions at their source.
Scientists say the acidification of the oceans won't be arrested unless the output of CO2 from factories, power plants and automobiles is substantially reduced. Even now, the problem may be irreversible.
"One thing we know for certain is it's not going to be a good thing for the ocean," Barry said. "We just don't know how bad it will be."
Scientists predict the effect will be felt first in the polar oceans and at lower depths, because cold water absorbs more carbon dioxide than warm water. One area of immediate concern is the Bering Sea and other waters around Alaska, home to half of the commercial U.S. fish and shellfish catch.
Because of acidification, waters in the Bering Sea about 280 feet down are running short of the materials that corals and other animals need to grow shells and skeletons. These chemical building blocks are normally abundant at such depths. In coming decades, the impoverished zone is expected to reach closer to the surface. A great quantity of sea life would then be affected.
"I'm getting nervous about that," Feely said.
The first victims of acidification are likely to be cold-water corals that provide food, shelter and reproductive grounds for hundreds of species, including commercially valuable ones such as sea bass, snapper, ocean perch and rock shrimp.
By the end of the century, 70% of cold-water corals will be exposed to waters stripped of the chemicals required for sturdy skeletons, said John Guinotte, an expert on corals at the nonprofit Marine Conservation Biology Institute in Bellevue, Wash.
"I liken it to osteoporosis in humans," Guinotte said. "You just can't build a strong structure without the right materials."
Cold-water corals, which thrive in waters as deep as three miles, were discovered only two decades ago. They harbor sponges, which show promise as powerful anti-cancer and antiviral agents; the AIDS drug AZT was formulated using clues from a coral sponge. Scientists fear that these unique ecosystems may be obliterated before they can be fully utilized or appreciated.
Tropical corals will not be affected as quickly because they live in warmer waters that do not absorb as much carbon dioxide. But in 100 years, large tropical reefs — called rain forests of the sea because of their biodiversity — may survive only in patches near the equator.
"Twenty-five percent of all species in the ocean live part of their life cycle on coral reefs. We're afraid we're going to lose these habitats and these species," said Chris Langdon, a coral expert at the University of Miami who has conducted experiments showing that corals grow more slowly when exposed to acidified waters.
Warm-water corals are already dying at high rates as global warming heats oceans and causes corals to "bleach" — lose or expel the symbiotic algae that provide vivid color and nutrients necessary for survival. Pollution, trampling by tourists and dynamiting by fishermen also take a devastating toll. An estimated 20% of the world's corals have disappeared since 1980.
"Corals are getting squeezed from both ends," said Joanie Kleypas, a marine ecologist and coral expert at the National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colo.
The question for scientists is whether living things will adapt to acidification. Will some animals migrate to warmer waters that don't lose shell-building minerals as quickly? Will some survive despite the new chemistry? Will complex marine food chains be harmed?
One laboratory experiment showed that a strain of shelled plankton thrived in higher CO2 conditions. But most research has shown that shelled animals and corals stop growing or are damaged.
"We put a lot of faith in the idea that organisms can adapt," Kleypas said, "but organisms have probably not evolved to handle these big changes."
The best analogy to what is occurring today is in the fossil records of a 55-million-year-old event known as the Paleocene-Eocene Thermal Maximum, when the Earth underwent one of the most abrupt and extreme global warming events in history.
The average temperature of the planet rose 9 degrees because of an increase in greenhouse gases. Balmy 70-degree days were common in the Arctic. The sudden warming shifted entire ecosystems to higher and cooler latitudes and drove myriad ocean species to extinction.
Geologists agree that a great warming occurred as a result of greenhouse gases, but until recently were uncertain about the volume of gas involved or how much the acidity of the oceans changed.
James Zachos, a paleo-oceanographer at UC Santa Cruz, made an important discovery in 2003 by drilling into seabed sediments more than two miles beneath the ocean's surface. This muck contains layers of microscopic plankton shells. Their chemical composition reveals what ocean conditions were like when they formed.
Zachos' international team analyzed sediments from a series of cores taken from the floor of the Atlantic Ocean 750 miles west of Namibia. At the bottom of the cores, the team found normal sediments, rich in calcium carbonate from shells — the sign of a healthy ocean.
But higher up, at a point in geologic history when the last major global warming event occurred, the whitish, carbonate-rich ooze gave way to a dark red clay layer free of shells. That condition, the researchers concluded, was caused by a highly acidified ocean. This state of affairs lasted for 40,000 or 50,000 years. It took 60,000 years before the ocean recovered and the sediments appeared normal again.
In a paper published last year in the journal Science, Zachos' team concluded that only a massive release of carbon dioxide could have caused both extreme warming and acidification of ocean waters.
Zachos estimated that 4.5 trillion tons of carbon entered the atmosphere to trigger the event.
It could take modern civilization just 300 years to unleash the same quantity of carbon, according to a variety of projections by researchers.
"This will be a much greater shock," Zachos said. "The change in modern surface ocean pH will be much more extreme than it was 55 million years ago."
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Times staff writer Kenneth R. Weiss contributed to this report.
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