Dernière mise à jour : 19 septembre 2024

Paléoclimats de la Terre et dioxyde de carbone

Comprendre l'importance des gaz à effet de serre

La Terre s'est formée il y a 4,543 milliards d'années et tous les changements climatiques à long terme, sur toutes les échelles de temps, impliquent les gaz à effet de serre. Comprendre l'évolution du climat, à travers ce point de vue, offre une vision profonde des mécanismes qui régulent le climat terrestre sur des échelles de temps géologiques.

Les gaz à effet de serre dans l'atmosphère sont transparents à la majorité du rayonnement solaire incident, permettant à la lumière du Soleil de chauffer la surface terrestre. Cependant, la Terre, en réémettant cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge en raison de sa température plus basse, voit ce rayonnement piégé par ces gaz à effet de serre.

Variation de luminosité du Soleil et gaz à effet de serre

La luminosité du Soleil joue un rôle fondamental dans le bilan énergétique de la Terre. Depuis la formation du système solaire, la luminosité solaire a progressivement augmenté de 7 % par milliards d'années.

Selon la théorie du « Soleil jeune », la luminosité du Soleil aurait été environ 30 % plus faible il y a 4,6 milliards d'années. Or, les preuves géologiques montrent que la Terre primitive avait des océans liquides et une température suffisamment élevée pour permettre l'existence de l'eau sous forme liquide. Cette contradiction apparente entre la faible luminosité solaire et la présence d'eau liquide est appelée le paradoxe du Soleil jeune.

Il a donc fallu que d'autres facteurs viennent contrebalancer les effets d'un Soleil jeune.
Parmi ces facteurs, il y a les gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4). L'une des principales sources de CO2 dans l'atmosphère primitive de la Terre était l'activité volcanique.
La Terre jeune connaissait une intense activité tectonique, avec de nombreuses éruptions volcaniques. Ces éruptions libéraient de grandes quantités de gaz, dont du dioxyde de carbone, ainsi que de l’eau (H2O), du dioxyde de soufre (SO2), du méthane (CH4), et d'autres gaz.

Sans un effet de serre suffisant, la Terre aurait été une planète gelée. La présence de concentrations élevées de gaz à effet de serre a permis de compenser cette faible énergie solaire en augmentant l'effet de rétention de chaleur. Cela a empêché la Terre de se refroidir trop fortement, permettant ainsi des températures suffisantes pour l'eau liquide et les premiers développements biologiques.

Tectonique des plaques et gaz à effet de serre

Le regroupement et la séparation des continents suivent des cycles géologiques appelés cycles de supercontinents. Ces cycles décrivent les périodes où les continents se rassemblent pour former un supercontinent unique, puis se séparent à nouveau sous l'effet de la tectonique des plaques. Le cycle complet de formation, c'est-à-dire fragmentation, et reformation des supercontinents, en lien avec l’ouverture et la fermeture des océans, dure généralement de 300 à 500 millions d’années.
Exemples : Rodinia (1,3 à 0,9 milliard d'années), Pannotia (600 millions d'années), Pangée (335 à 175 millions d'années).

À travers les âges géologiques, les continents ont dérivé, fusionné et se sont fragmentés, modifiant ainsi les courants océaniques et atmosphériques qui redistribuent la chaleur autour de la planète.

Lorsque les continents étaient principalement situés dans les zones équatoriales, notamment pendant des périodes géologiques comme le Carbonifère et le Permien (il y a environ 300 à 250 millions d'années), le dioxyde de carbone (CO2) a joué un rôle clé dans le climat et dans la régulation de la température terrestre.

Lorsque les continents sont concentrés dans ces régions, ils sont soumis à des conditions climatiques chaudes et humides, qui favorisent l'érosion, c'est-à-dire, le processus d'altération chimique des roches silicatées. Ce processus chimique consomme le CO2 de l'atmosphère. En effet, les roches réagissent avec le dioxyde de carbone pour former des carbonates qui se déposent dans les océans, piégeant ainsi le carbone. En d'autres termes, l'altération chimique agit comme un mécanisme de puits de carbone naturel, régulant la concentration de CO2 dans l'atmosphère et donc le climat global.

Inversement, lorsque des continents sont situés aux pôles, ils sont plus vulnérables à l'accumulation de glace en raison des basses températures et du faible rayonnement solaire.
L'albédo élevé de la glace (la capacité à réfléchir la lumière solaire) amplifie ce refroidissement, créant une boucle de rétroaction positive : plus il y a de glace, plus la surface de la Terre réfléchit la lumière du Soleil, ce qui accentue le refroidissement global.
Or, les périodes de haute activité volcanique subsistent et libérent du CO2, augmentant ainsi les températures globales. Comme les zones polaires sont très arides, la pluviométrie est minimale.
Lorsque l’altération chimique des roches ralentit ou disparaît en raison de la couverture glaciaire, le cycle à long terme du carbone est perturbé.
L'altération chimique des roches est l'un des mécanismes naturels les plus efficaces pour éliminer le CO2 de l'atmosphère et réguler les niveaux de ce gaz à effet de serre. En l'absence de ce processus, le CO2 atmosphérique n'est plus consommé de manière significative, ce qui permet à d'autres processus comme les émissions volcaniques de continuer à augmenter la concentration de CO2 dans l'atmosphère.

Ères glaciaires et interglaciaires et gaz à effet de serre

Les cycles glaciaires et interglaciaires sont principalement régis par les cycles de Milankovitch, qui décrivent des variations périodiques de l'orbite terrestre et de l'inclinaison de son axe. Ces cycles comprennent trois paramètres principaux :
• Excentricité (variations de la forme elliptique de l'orbite terrestre autour du Soleil, avec une période d’environ 100 000 ans)
• Obliquité (variations de l'inclinaison de l'axe terrestre par rapport à son plan orbital, sur un cycle de 41 000 ans)
• Précession (changement de la direction de l'axe de rotation terrestre, avec un cycle de 23 000 ans)

Ces variations influencent la répartition de l’énergie solaire reçue par la Terre à différentes latitudes et saisons, favorisant l’alternance entre périodes glaciaires (accumulation de glace aux pôles) et interglaciaires (fonte des glaces et températures plus clémentes).

Cependant, la réponse du climat à ces cycles orbitaux est amplifiée par des rétroactions, comme les changements dans la couverture de glace et les niveaux de CO2.

Dans les cycles glaciaires et interglaciaires, les niveaux de CO2 suivent une dynamique complexe de rétroactions positives et négatives.

Pendant les périodes glaciaires, les températures plus basses et la présence étendue de calottes glaciaires réduisent l'activité biologique (photosynthèse) et les processus d’érosion continentale. Moins de CO2 est capturé par la biosphère terrestre et les océans. La baisse de l’ensoleillement causée par les cycles de Milankovitch entraîne un refroidissement. Ce refroidissement provoque une augmentation de la capture du CO2 par les océans, ce qui diminue la concentration de CO2 dans l'atmosphère, amplifiant le refroidissement.

En revanche, lors des périodes interglaciaires, l'augmentation de l'ensoleillement dans certaines régions provoque un réchauffement, qui déclenche un dégazage de CO2 par les océans. L’augmentation du CO2 atmosphérique renforce l’effet de serre et amplifie le réchauffement initial.

Importance du dioxyde de carbone

Le CO2 a joué un rôle fondamental dans le maintien de températures compatibles avec la vie sur Terre, au fil des ères géologiques. Grâce à ses interactions avec les processus géophysiques et biologiques, il a permis à la planète de s'ajuster face aux variations internes (tectonique, volcans) et externes (évolution solaire, cycles orbitaux). Cet équilibre, qui a perduré pendant des milliards d'années, montre à quel point le CO2 est un régulateur clé du climat terrestre, un rôle qu'il continue de jouer, même si son dérèglement actuel par les activités humaines constitue un défi majeur pour l'humanité.