Exercice 1 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Amérique du Nord 2023 (jour 1)

Montrer comment les modifications des flux de carbone ont pu intervenir sur les changements climatiques à l'échelle des temps géologiques.

Réponse : Introduction Le dioxyde de carbone ($CO_2$) atmosphérique est un puissant gaz à effet de serre. À l'échelle des temps géologiques (millions d'années), sa concentration dépend des flux d'échange entre les réservoirs superficiels (atmosphère, biosphère, hydrosphère) et le réservoir lithosphérique. Les variations de ces flux ont directement modulé l'effet de serre et induit des changements climatiques globaux majeurs. I. Des flux puits de carbone à l'origine de refroidissements climatiques 1. Fossilisation de matière organique (ex. Carbonifère) : - Développement d'une biomasse végétale abondante en climat chaud et humide. - Enfouissement rapide de matière organique dans des bassins sédimentaires anoxiques (formation du charbon), empêchant sa décomposition/respiration. - Ce flux net de la biosphère vers la lithosphère constitue un puits majeur de $CO_2$ atmosphérique. Il provoque une baisse de l'effet de serre et conduit à la grande glaciation permo-carbonifère. 2. Altération chimique des roches continentales silicatées (ex. Carbonifère / Cénozoïque) : - L'altération des silicates (feldspaths, pyroxènes…) consomme du $CO_2$ dissous : $$\text{Silicate} + CO_2 + H_2O \rightarrow \text{Argile} + \text{Cations} + HCO_3^-$$ - Les ions sont transportés par les fleuves vers les océans, où précipitent des carbonates : $$Ca^{2+} + 2HCO_3^- \rightarrow CaCO_3 + CO_2 + H_2O$$ - Le bilan global est une consommation nette d'une mole de $CO_2$ par mole de silicate calcique altéré. - Les grandes surrections orogéniques augmentent les surfaces exposées à l'altération : chaîne hercynienne au Carbonifère, chaînes alpine et himalayenne au Cénozoïque. Il en résulte un refroidissement global durable, avec la transition vers les glaciations du Quaternaire. II. Des flux sources de carbone à l'origine de réchauffements climatiques 1. Dégazage volcanique et activité des dorsales (ex. Crétacé) : - L'activité magmatique libère du $CO_2$ vers l'atmosphère : volcanisme de subduction, points chauds, trapps, dorsales. - Au Crétacé, la dislocation de la Pangée et l'expansion océanique accrue s'accompagnent d'un volcanisme intense. - L'injection de $CO_2$ accentue l'effet de serre et explique le climat chaud du Crétacé : absence de calottes polaires, niveau marin élevé. 2. Métamorphisme et décarbonatation : - L'enfouissement de roches carbonatées en subduction ou en orogenèse libère du $CO_2$ par métamorphisme ($CaCO_3 + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3 + CO_2$). Ce $CO_2$ réalimente l'atmosphère par le volcanisme. Conclusion À l'échelle des temps géologiques, le climat planétaire est étroitement couplé au cycle géologique du carbone. Toute perturbation durable de l'équilibre entre les sources et les puits modifie la teneur atmosphérique en $CO_2$, donc l'effet de serre et la température globale. Les sources sont le dégazage volcanique et métamorphique ; les puits sont l'altération des silicates, la sédimentation carbonatée et l'enfouissement de matière organique. Lorsque les puits dominent, le climat se refroidit (glaciations permo-carbonifère et cénozoïque). Lorsque les sources dominent, il se réchauffe (Crétacé).