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Les émissions humaines de CO2 seraient responsables de la tendance au réchauffement et à la désoxygénation des eaux profondes qui pénètrent dans le golfe du Saint-Laurent

Publication initiale: 2018-09-30
Dernière mise à jour: 2019-10-28

Le 17 septembre 2018, j'ai cosigné avec six de mes collègues un article dans la revue scientifique Nature Climate Change1. Avec la publication de cet article, nous avons franchi une étape importante dans notre compréhension des mécanismes impliqués dans la forte tendance à la hausse de la température de l'eau et la forte tendance à la baisse de la teneur en oxygène dissous observées dans les eaux profondes qui pénètrent dans le golfe du Saint-Laurent2.

Conclusion principale de l'article: En comparant deux expériences de simulation par ordinateur de l'évolution du climat, avec et sans augmentation des concentrations atmosphériques de CO2, nos résultats montrent un rapide réchauffement et une rapide désoxygénation des eaux profondes du golfe du Saint-Laurent seulement dans la simulation du climat AVEC une augmentation du CO2. Dans la simulation du climat SANS augmentation de CO2, la température de l'eau et sa teneur en oxygène ne subissent que des variations naturelles vers le haut ou vers le bas qui ne durent que quelques années avant de se renverser, sans tendance nette à long terme. Un lien de cause à effet a ainsi pu être démontré entre l'augmentation des émissions humaines de CO2 dans l'atmosphère d'une part, et le réchauffement et la désoxygénation des eaux profondes qui pénètrent dans le golfe du Saint-Laurent d'autre part.

Une initiative de partage de contenu scientifique mise en place par Springer Nature, SharedIt, permet à quiconque de visualiser gratuitement à l'écran une version intégrale de notre article en cliquant sur cet hyperlien: Rapid coastal deoxygenation due to ocean circulation shift in the northwest Atlantic.

Dans une étude précédente publiée en 20052, nous avions patiemment colligé un ensemble d'observations historiques de température, salinité et oxygène dissous allant de 1932 à 2003. Ceci nous avait permis de décrire les changements dans les masses d'eaux profondes du golfe du Saint-Laurent (réchauffement, salification, désoxygénation), mais nous n'étions pas en mesure d'expliquer les phénomènes observés, ce que fait maintenant la nouvelle étude1.

Teneurs actuelles en oxygène dissous

Afin de bien interpréter les conséquences de ces nouveaux résultats, il est important de commencer par bien décrire les teneurs actuelles d'oxygène dissous dans le golfe du Saint-Laurent.

La carte géographique ici-bas montre les teneurs en oxygène dissous près du fond (moins de 10 m au-dessus du fond marin local) dans l'ensemble du golfe du Saint-Laurent.


Explication de l'échelle de couleur  100% de saturation en oxygène correspond à la teneur en oxygène dissous pour laquelle la couche supérieure de l'océan qui est en contact direct avec l'atmosphère se trouve en équilibre d'échange gazeux avec l'atmosphère: c'est à dire qu'un nombre égal de molécules d'oxygène quitte l'océan en direction de l'atmosphère ou encore est absorbé par l'océan en provenance de l'atmosphère. Un taux de 50% de saturation en oxygène signifie que ces eaux marines ont perdu la moitié de la concentration d'oxygène qu'elles avaient originalement au moment où elles ont cessé d'être en contact direct avec l'atmosphère et se sont mises à descendre plus en profondeur. Un taux de 20% de saturation en oxygène signifie quant à lui que 80% de l'oxygène dissous a déjà été consommé par la respiration animale ou les processus de décomposition de la matière organique par les bactéries présentes dans la colonne d'eau.

Cette carte du golfe du Saint-Laurent montre que les taux de saturation en oxygène sont généralement supérieures à 50% aux endroits où la profondeur du fond est d'environ 150 m ou moins. Ces endroits sont relativement bien oxygénés actuellement. Aux profondeurs supérieures à 200 m, les taux de saturation en oxygène près du fond sont supérieurs à 50% dans la région du détroit de Cabot, mais se dégradent ensuite au fur et à mesure que nous nous déplaçons en direction de la tête des trois chenaux profonds du golfe du Saint-Laurent: le chenal Laurentien, le chenal Esquiman et le chenal Anticosti.


Une coupe verticale de la colonne d'eau le long du chenal Laurentien, entre Tadoussac à l'ouest et le détroit de Cabot à l'est, nous aide à se faire une meilleure représentation mentale en trois dimensions des teneurs en oxygène. Les chenaux Esquiman et Anticosti présentent une structure verticale similaire à celle du chenal Laurentien. Entre la surface de l'eau et 100 m de profondeur, les teneurs en oxygène dissous sont supérieures à 60% de saturation tout au long du chenal Laurentien. En revanche, à 250 m de profondeur, nous notons que les eaux s'appauvrissent graduellement, passant d'environ 50% de saturation au détroit de Cabot pour descendre sous la barre des 20% près de Tadoussac.
La nouvelle étude suggère que la baisse d'oxygène observée autour de 250 m de profondeur va probablement continuer au cours des prochaines décennies en raison de la poursuite de l'augmentation de la concentration de CO2 dans l'atmosphère, et ce malgré de possibles courtes périodes de hausses passagères dues à la variabilité naturelle.

Conséquences écologiques

Nous nous attendons à ce que les eaux moins profondes que 100 m demeurent bien oxygénées dans le futur et qu'elles continuent de supporter une vie marine diversifiée. Compte tenu des patrons actuels de teneurs en oxygène, les zones qui présentent les plus grands risques de perte de biodiversité dans le futur en raison de baisses d'oxygène sont les têtes des chenaux Laurentien, Esquiman et Anticosti aux profondeurs supérieures à 150 m.

Les espèces animales marines possèdent une très large gamme de niveaux de tolérance aux basses teneurs en oxygène dissous3. Par exemple, la morue est généralement absente des régions où la teneur en oxygène dissous près du fond tombe sous la barre de 30% de saturation. Le loup tacheté possède un seuil de tolérance également situé autour de 30% de saturation. D'autres espèces sont mieux adaptées au manque d'oxygène que la morue et le loup tacheté, pouvant tolérer des teneurs en oxygène dissous de 15%, 10% ou même 5% de saturation.

Toutefois, l'absence totale d'oxygène (anoxie) est incompatible avec les formes dites avancées de vie marine, car la respiration anaérobie est beaucoup moins efficace que la respiration aérobie pour extraire de la nourriture ingérée l'énergie nécessaire au maintien de la vie. Grosso modo, la respiration en présence d'oxygène peut fournir jusqu'à 19 fois plus d'énergie que la respiration en absence d'oxygène. On comprend ainsi mieux pourquoi la présence d'oxygène est si cruciale pour le maintien de la vie animale marine.



Prochaines étapes

L'étude de simulation du climat que nous venons de publier1 a requis neuf mois de calculs continus sur un superordinateur doté de 10,000 nœuds de calculs. L'outil de modélisation employé pour représenter les interactions entre l'océan, l'atmosphère et la glace sur l'ensemble de la planète Terre ne peut toutefois pas prendre en compte tous les processus physiques et biogéochimiques connus. Par exemple, le modèle informatique employé n'incluait pas les flux de nutriments (nitrates, phosphates) et de matière organique livrés à l'estuaire et au golfe du Saint-Laurent par le fleuve Saint-Laurent et d'autre rivières.

Un bilan exhaustif des flux de nitrates, phosphates et matière organique en provenance du fleuve Saint-Laurent est maintenant disponible4. Une évaluation plus complète de l'ensemble des facteurs susceptibles d'influencer les concentrations d'oxygène dans l'estuaire et le golfe du Saint-Laurent devra en tenir compte. Une équipe est déjà à l'oeuvre pour mettre au point un modèle régional de simulation du golfe du Saint-Laurent qui inclura les charges de nutriments et matière organique du fleuve Saint-Laurent et qui inclura aussi des processus physiques et biogéochimiques qu'il n'était pas possible d'inclure dans un modèle mondial. À suivre dans quelques années...

Entrevues 

2018-09-21 Interview with Bob McDonald of CBC Quirks & Quarks

2018-09-23 Entrevue avec Sophie-AndréeBlondin, Les années lumière, Radio-Canada (aller à 12h27)

2018-10-05 Interview with Holly Lake, iPolitics 

2019-10-28 Téléjournal Est-du-Québec, avec Michel-Félix Tremblay (de 0m40s à 2m54s)
                    + reportage sur ICI Radio-Canada

Notes:

1 Claret, M., Galbraith, E.D., Palter, J.B., Bianchi, D., Fennel, K., Gilbert, D. and Dunne, J.P., 2018. Rapid coastal deoxygenation due to ocean circulation shift in the northwest Atlantic. Nature Climate Change, 8, 868-872. doi: 10.1038/s41558-018-0263-1

2 Gilbert, D., Sundby, B., Gobeil, C., Mucci, A. and Tremblay, G.-H., 2005. A seventy-two-year record of diminishing deep-water oxygen in the St. Lawrence estuary: The northwest Atlantic connection. Limnol. Oceanogr., 50: 1654-1666. doi: 10.4319/lo.2005.50.5.1654

3 Ekau, W., Auel, H., Portner, H.-O, & Gilbert, D., 2010. Impacts of hypoxia on the structure and processes in pelagic communities (zooplankton, macro-invertebrates and fish). Biogeosciences7, 1669-1699. doi: 10.5194/bg-7-1669-2010

4 Hudon, C., Gagnon, P., Rondeau, M., Hébert, S., Gilbert, D., Hill, B., Patoine, M. & Starr, M., 2017. Hydrological and biological processes modulate carbon, nitrogen and phosphorus flux from the St. Lawrence River to its estuary (Quebec, Canada). Biogeochemistry, 135: 251-276. doi: 10.1007/s10533-017-0371-4

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