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Comment fonctionne le cycle du carbone de la Terre?



Il s'agit du deuxième d'une série de cinq articles rédigés par des experts présentés dans la nouvelle exposition du Smithsonian, Hall of Fossils - Deep Time, qui ouvrira ses portes le 8 juin au Muséum national d'histoire naturelle. Vous pouvez trouver la série complète en visitant notre rapport spécial Deep Time

Il y a des centaines de millions d'années, d'immenses couches de glace ont recouvert les continents de la Terre d'un océan à l'autre. Seuls les sommets des montagnes de la planète se dressaient au-dessus de la glace alors que les glaciers s’écrasaient et se frayaient un chemin à travers le substrat rocheux, se dirigeant lentement vers les plaines enneigées. Là où les glaciers ont rencontré les océans, d’énormes blocs de glace et de roches se sont détachés des glaciers et sont tombés dans la mer. La vie, principalement des algues, des cyanobactéries et d’autres bactéries, a persisté dans les petites poches d’eau de mer sans glace. Semblable à une planète glacée dans un système solaire lointain, la Terre au cours de ses années de formation, une phase juvénile appelée Terre «Snowball», était bien différente de la planète à majorité bleue de nos jours.

Les changements dramatiques du climat de la Terre fascinent depuis longtemps les géoscientifiques. Les géoscientifiques étudient les périodes au cours desquelles la Terre était fondamentalement différente de celle d'aujourd'hui pour en savoir plus sur le rythme et le moment du changement climatique. La mystique d'une planète presque entièrement recouverte de glace, si méconnaissable pour nous aujourd'hui, est évidente. L'ambiguïté incessante de ne connaître qu'une partie de l'histoire de la Terre - une histoire dont l'encre s'efface de plus en plus au fur et à mesure que les couches géologiques d'origine sont recyclées - en crée un cycle constant - de nouvelles découvertes étant donné que les preuves sont indissociablement liées.

Au cœur de la découverte du mystère de l'histoire de notre planète se trouve la question: comment fonctionne la Terre? Les archives fossiles indiquent des interactions bidirectionnelles entre la vie et les systèmes de la Terre. Ces interactions sont régies par le cycle du carbone, une machine délicate à l'échelle planétaire qui détermine le climat de la Terre. En fin de compte, comprendre le fonctionnement du cycle du carbone de la Terre, c’est apprécier l’influence humaine qui l’affecte actuellement: malgré l’ambiguïté du passé, notre trajectoire actuelle est absolument certaine.

La dernière fois que la Terre de Snowball a eu lieu, c'était il y a 640 millions d'années, à une époque connue sous le nom de Cryogenian. À l'époque, la vie complexe n'avait pas encore évolué et il est donc difficile de savoir quelle fraction de la vie a péri sous la glace inhospitalière. Après environ dix millions d'années, la glace a commencé à se retirer, fournissant aux océans des nutriments abondants pour la vie. Ce buffet océanique post-glaciaire coïncide avec les premières preuves fossiles d’éponges, ce qui a peut-être favorisé l’émergence des premiers animaux. Sur la base des quelques couches restantes d'anciens fonds marins, les scientifiques pensent que la planète était presque entièrement gelée, pas une seule fois, mais plusieurs fois au cours de ses premières années.

En revanche, d'autres périodes de l'histoire de la Terre ont été extrêmement chaudes. Il y a cinquante-deux millions d'années, au cours de l'Éocène, des méga-forêts luxuriantes de cyprès des marais et de séquoias à l'aube occupaient ce qui est aujourd'hui le cercle arctique et les premiers animaux que nous aurions reconnus comme mammifères sont apparus dans les archives fossiles. Des périodes telles que l'Eocène sont souvent qualifiées de «serre», car elles coïncident avec des niveaux élevés de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

Tout comme Goldilocks à la recherche de la bouillie qui correspond à la température idéale, le climat de la Terre a été échantillonné à plusieurs reprises à partir des extrêmes.

Bien que la notion de commutation entre des planètes couvertes de glace ou infestées de marécages puisse sembler redoutable, de tels changements climatiques majeurs se sont produits sur des dizaines de millions d'années, laissant beaucoup de temps à l'évolution pour développer de nouvelles stratégies de réussite. Ces transitions lentes des climats Greenhouse à Icehouse résultent de changements subtils dans le cycle géologique du carbone de la Terre.

Tout au long de l'histoire de la Terre, les volcans ont évacué en permanence le carbone stocké dans les profondeurs de l'intérieur de la Terre en réponse à l'évolution des plaques tectoniques. Le dioxyde de carbone (CO2) d'un ensemble de volcans en éruption afflue dans l'atmosphère, où il se dissout dans l'eau de pluie et retombe sur la Terre. Lorsque l'eau de pluie pénètre dans le sol, elle dissout la roche et recueille le calcium en cours de route. Les systèmes fluviaux livrent ensuite le calcium et le CO2 à l'océan et lorsque le carbonate de calcium ou le calcaire précipite, souvent grâce à des organismes calcifiants comme les coraux et les mollusques, le CO2 est finalement emprisonné.

À certains égards, le cycle du carbone est un peu comme chauffer une maison avec un thermostat cassé: lorsque la chaudière produit trop de chaleur ou de CO2, des fenêtres peuvent être ouvertes pour refroidir la maison. Pour le cycle du carbone, une augmentation de l'activité des volcans réchauffe la planète, ce qui est contrebalancé par une augmentation de l'altération des roches dans les sols, apportant plus de calcium et de CO2 dans les océans pour former du calcaire et créant une rétroaction négative qui maintient les niveaux de CO2 dans l'atmosphère., et par extension, la température de la planète, en échec. Ce bras de fer entre le four ou les émissions mondiales de CO2 et les fenêtres, ou le vieillissement des roches, détermine en grande partie l'état du climat de la Terre. Il est facile de voir les volcans comme les acteurs néfastes de ce climat de lutte acharnée. Cependant, les roches apaisantes et insensibles dans les sols peuvent être tout aussi vilaines.

De la vapeur et d'autres gaz, tels que le dioxyde de carbone, s'échappent du sol près d'un volcan en Islande. Bien que les plantes absorbent le dioxyde de carbone, une grande partie de ce carbone est renvoyée dans l’atmosphère sur des millions d’années, de sorte que les volcans ont été une source nette de dioxyde de carbone atmosphérique tout au long de l’histoire de la Terre. De la vapeur et d'autres gaz, tels que le dioxyde de carbone, s'échappent du sol près d'un volcan en Islande. Bien que les plantes absorbent le dioxyde de carbone, une grande partie de ce carbone est renvoyée dans l’atmosphère sur des millions d’années, de sorte que les volcans ont été une source nette de dioxyde de carbone atmosphérique tout au long de l’histoire de la Terre. (Kate Maher)

Miraculeusement, les sols de la planète sont généralement assez aptes à ouvrir et à fermer des fenêtres si on leur en laisse le temps. En moyenne, la durée de vie d'une molécule de carbone dans le système océan-atmosphère est d'environ 300 000 ans. Ainsi, sur des millions d'années, la Terre est en grande partie contrebalancée par les fenêtres ouvertes.

Néanmoins, des catastrophes climatiques ont eu lieu à de nombreuses reprises dans l'histoire de la Terre et ont souvent coïncidé avec d'importantes extinctions de masse. Il est difficile de découvrir le coupable derrière ces événements catastrophiques. À l'occasion, des émissions volcaniques excessives coïncident de manière suspecte avec des bouleversements majeurs du cycle du carbone.

À la fin du Permien, il y a 251 millions d'années, les pièges de Sibérie se sont engouffrés dans les gisements de charbon de l'actuelle Sibérie, libérant tellement de carbone que le réchauffement de la planète et l'acidification des océans ont certainement joué un rôle dans la plus grande des extinctions marines. À la fin de l'extinction de masse du Permien, 90% des espèces marines s'étaient éteintes, puis lentement, sur des millions d'années, le bilan de carbone a été rétabli et la vie retrouvée. La vie semblait différente de celle d’avant, avec la première apparition d’ichtyosaures et de coraux scléractiniens.

IMG_4893.jpg L'exposition "Fossil Hall - Deep Time" du Smithsonian ouvre le 8 juin 2019. (Smithsonian.com)

Il est tentant de voir dans l'histoire de la Terre un bouleversement catastrophique suivi de la création de formes de vie nouvelles et de plus en plus complexes. C’est vrai, mais il est peut-être plus miraculeux de constater comment deux acteurs apparemment disparates, les volcans émetteurs de CO2 et le continuum sol-fleuve-océan qui renvoie le CO2 à l’intérieur de la Terre, ont réussi à maintenir le climat de la planète essentiellement habitable pendant des milliards d’années. Des estimations provenant de sols et de plantes fossiles, ainsi que de gisements marins, suggèrent que, depuis au moins 600 millions d’années, les niveaux de CO2 dans l’atmosphère ont presque toujours été inférieurs à cinq fois ceux de la période préindustrielle.

À titre de comparaison, le scénario le plus pessimiste proposé par le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) suggère que les niveaux de CO2 dans l’atmosphère pourraient approcher 3, 5 à 5 fois les valeurs préindustrielles d’ici à 2100, niveaux jamais vus depuis l’extinction massive finale du Permien final. Pour mettre cela en perspective, les humains émettent maintenant du CO2 à un taux environ 68 fois supérieur à celui auquel il peut être renvoyé sur la Terre solide via les océans. Il n'y a actuellement aucun moyen connu d'augmenter le transfert de carbone par les sols et les rivières de plus de quelques pour cent, de sorte qu'il faudra des centaines de milliers d'années pour éliminer l'excès de CO2 du système océan-atmosphère. De plus, en raison des changements d’utilisation des sols et de la croissance démographique, nous court-circuitons lentement les sols, les rivières et les écosystèmes qui travaillent ensemble pour transférer le CO2 de l’atmosphère vers les océans, puis vers le calcaire.

Il est facile de regarder les vastes océans bleus, les forêts luxuriantes, les déserts délicats et les pics enneigés à travers l'objectif de l'histoire de la Terre et de conclure que la Terre prendra soin de elle-même. La réalité est que la Terre n'a jamais vu un agent géologique aussi rapide et implacable que l'homme. Bien que la Terre semble bien différente maintenant que par le passé, les leçons de son histoire restent valables: nous chauffons la chaleur beaucoup plus rapidement que la Terre ne peut éventuellement ouvrir les fenêtres.

Comment fonctionne le cycle du carbone de la Terre?