How Uncertain Are Estimates of Marine Carbon Dioxide Removal? Insights from a Simplified Model

Résumé technique : Quel est le degré d'incertitude des estimations de l'élimination du dioxyde de carbone marin ? Éclairages issus d'un modèle simplifié

Énoncé du problème
Les techniques d'élimination du dioxyde de carbone marin (mCDR), spécifiquement l'augmentation de l'alcalinité de l'océan (OAE) et l'élimination directe de l'océan (DOR), reposent sur la réduction de la pression partielle de CO2 dans la surface de l'océan pour capter le CO2 atmosphérique. Bien que l'efficacité maximale théorique de ces interventions soit connue (par exemple, ~0,8 mol de CO2 pour 1 mol d'alcalinité pour l'OAE), l'évolution temporelle de l'élimination du carbone est fortement sensible aux processus physiques et biogéochimiques. Les estimations actuelles de l'efficacité de la mCDR dépendent fortement des modèles océaniques, pourtant les incertitudes inhérentes à ces modèles — particulièrement concernant le mélange vertical, les échanges gazeux air-mer et les propriétés des masses d'eau — sont mal comprises. Les modèles mondiaux existants utilisent souvent des paramétrisations fixes qui peuvent sous-estimer la variabilité naturelle, et leur complexité rend difficile l'isolement des mécanismes spécifiques qui pilotent l'incertitude des calculs de CDR. Ce manque de quantification de l'incertitude pose un défi fondamental pour les cadres de surveillance, de déclaration et de vérification (MRV) ainsi que pour le calendrier de neutralité carbone nette des projets de mCDR.

Méthodologie
Pour examiner systématiquement ces incertitudes, l'étude emploie un modèle océanique abiotique unidimensionnel (1D). Cette approche à complexité réduite isole les processus verticaux (diffusion turbulente et échange gazeux air-mer) tout en ignorant l'advection horizontale, la subduction et les interactions biologiques. Le modèle fait évoluer l'alcalinité totale (TA) et le carbone inorganique dissous (DIC) au cours du temps, calculant le flux de CO2 de surface basé sur l'échange gazeux air-mer.

L'étude utilise deux cadres analytiques principaux :

1. Simulations de sensibilité : Les paramètres individuels du modèle (par exemple, la profondeur de la couche de mélange, la vitesse du vent, le coefficient de transfert gazeux, la diffusivité de la pycnocline, la TA/DIC de fond, la profondeur de déploiement) sont perturbés par des valeurs cohérentes avec la variabilité naturelle observée. Ceux-ci sont comparés à une simulation de référence pour déterminer le « ratio de sensibilité de la CDR » ($r_{CDR}$), défini comme le ratio de la CDR dans une simulation de sensibilité par rapport à la simulation de référence.
2. Ensembles de Monte Carlo : Plus de 1 000 paires de simulations (référence et intervention) sont exécutées simultanément, avec des paramètres tirés aléatoirement de distributions statistiques représentant la variabilité océanique observée. Cette approche évalue comment les incertitudes combinées des processus physiques et des propriétés des masses d'eau se manifestent dans les estimations de la CDR.

Les simulations sont menées pour des profondeurs océaniques de 200 m et 2 000 m sur une période de 50 ans afin d'évaluer l'impact de la profondeur sur la persistance de l'incertitude.

Résultats clés
L'étude identifie trois régimes temporels distincts régissant l'incertitude de la CDR :

1. Équilibration rapide initiale ($t \ll \tau_{mix}$) : Au cours des premières années, les estimations de la CDR sont hautement sensibles aux paramètres contrôlant l'échelle de temps initiale de l'échange air-mer ($\tau_{air-sea}$), notamment la profondeur de la couche de mélange, la vitesse du vent, les coefficients de transfert gazeux et la chimie des carbonates de fond (TA, DIC, température). Durant cette phase, les estimations de la CDR peuvent varier d'un facteur deux selon les biais des paramètres.
2. Perte d'alcalinité de la couche de mélange ($t \approx \tau_{mix}$) : À mesure que le mélange vertical extrait l'alcalinité de la surface, les incertitudes sont dominées par l'interaction entre l'échelle de temps de l'échange air-mer et l'échelle de temps du mélange ($\tau_{mix}$). Les incertitudes liées à la diffusivité de la pycnocline ($\kappa_{pyc}$) deviennent critiques, provoquant un pic de variabilité des estimations de la CDR (jusqu'à 30 %) 2 à 3 ans après le déploiement.
3. Mélange profond ($t \gg \tau_{mix}$) : À long terme, les incertitudes persistent pendant des décennies si l'échelle de temps du mélange dans l'océan profond est comparable ou plus rapide que l'équilibration air-mer. L'étude montre que l'incertitude de la diffusivité de la pycnocline est le facteur dominant de l'incertitude de la CDR à long terme, car elle contrôle à la fois la fraction d'alcalinité équilibrée avant la subduction profonde et le taux auquel les eaux profondes non équilibrées reviennent à la surface.

Résultats quantitatifs :

• Magnitude de l'incertitude : Au cours des premières années, les estimations de la CDR peuvent différer jusqu'à 100 % (un facteur deux) de la simulation de référence. À 20–50 ans, cet écart se réduit à 10–20 %, bien qu'une incertitude significative subsiste pour les déploiements dans les profondeurs.
• Profondeur de déploiement : Déployer l'alcalinité en dessous de la couche de mélange (même de 20 à 40 m) entraîne une efficacité nettement inférieure et une incertitude plus élevée, certaines estimations restant bien en dessous de la simulation de référence même après 50 ans.
• Calendrier de neutralité nette : Le temps nécessaire pour qu'une intervention devienne nette négative en carbone (en tenant compte des coûts de l'Analyse du Cycle de Vie) est très variable. Alors qu'un cas de référence suggère environ 1,4 an, l'ensemble de Monte Carlo montre une large distribution : ~30 % des simulations atteignent la neutralité nette en moins d'un an, 50 % prennent plus de 2 ans, et ~4 % prennent plus de 50 ans. Cette « longue traîne » est principalement associée aux déploiements profonds ou à un mélange rapide qui empêche une équilibration précoce.
• Dépendance à la profondeur : Les incertitudes persistent plus longtemps dans les océans de 2 000 m de profondeur que dans ceux de 200 m, où l'ensemble de la colonne d'eau peut s'équilibrer dans le cadre de la simulation.

Signification et affirmations
L'article soutient que les incertitudes dans les estimations de la mCDR ne sont pas simplement transitoires mais peuvent persister pendant des décennies en raison des échelles de temps du mélange de l'intérieur par rapport à l'échange air-mer. Les auteurs affirment que ces résultats identifient un défi fondamental pour les simulations régionales et mondiales de la mCDR, où les processus physiques directeurs sont souvent mal contraints.

Plus précisément, l'étude souligne que :

• Implications pour la MRV : L'incertitude sur l'évolution temporelle de l'élimination du carbone impacte directement le calendrier de la neutralité nette, ce qui est crucial pour les cadres de crédit carbone. Sans une quantification précise des incertitudes, l'attribution de crédits carbone pourrait être prématurée ou inexacte.
• Limites des modèles : Les modèles océaniques actuels reposent souvent sur des paramétrisations de la turbulence et de l'échange gazeux qui sont sujettes à des biais spatiaux et temporels substantiels. L'étude suggère que la validation de ces processus physiques spécifiques (mélange et transfert gazeux) est plus critique pour la mCDR que pour les projections climatiques générales.
• Stratégie de déploiement : Les résultats soulignent la nécessité de s'assurer que l'alcalinité est déployée strictement dans la couche de mélange de surface pour maximiser l'efficacité et minimiser l'incertitude.

Les auteurs maintiennent une portée modeste, notant que leur modèle 1D exclut l'advection horizontale et les rétroactions biologiques, ce qui pourrait introduire de nouvelles incertitudes. Cependant, ils concluent que même dans un système abiotique, les incertitudes découlant des processus physiques seuls sont suffisamment importantes pour justifier une investigation approfondie afin de garantir que les interventions de mCDR sont réellement négatives en carbone sur des échelles de temps décennales.