Exercice 1 - Les climats de la Terre · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Amérique du Sud 2021 (jour 1)

Présenter les mécanismes à l'origine des modifications de l'effet de serre au cours des temps géologiques.

Réponse : ### Introduction L'effet de serre naturel résulte de l'absorption par des gaz atmosphériques (principalement $\mathrm{H_2O}$, $\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$) du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre. Au cours des temps géologiques, les variations de la concentration en $\mathrm{CO_2}$ atmosphérique ont été le principal moteur des fluctuations de l'effet de serre. Ces fluctuations ont fait alterner le climat mondial entre périodes chaudes (« greenhouse ») et périodes glaciaires (« icehouse »). ### I. Les mécanismes amplifiant l'effet de serre (apport de $\mathrm{CO_2}$ à l'atmosphère) 1. Le volcanisme de dorsale et de subduction : - L'activité tectonique et l'accrétion océanique libèrent du $\mathrm{CO_2}$ issu du dégazage mantellique. - Au Crétacé (-145 à -66 Ma), un taux d'accrétion très élevé et un volcanisme intense ont injecté d'importantes quantités de $\mathrm{CO_2}$. Il en a résulté un climat particulièrement chaud, sans calottes polaires. - Observations : niveau marin élevé, fossiles de flores tropicales à haute latitude, δ18O des foraminifères indiquant des océans chauds. 2. Les grands épanchements magmatiques (trapps) : - Les épisodes de trapps ont rejeté massivement et rapidement du $\mathrm{CO_2}$ (et du $\mathrm{CH_4}$). Exemples : trapps de Sibérie à la fin du Permien, trapps du Deccan à la fin du Crétacé. - Ces émissions ont provoqué des réchauffements globaux brutaux et des crises biologiques. 3. La libération du $\mathrm{CO_2}$ océanique : - La solubilité du $\mathrm{CO_2}$ diminue quand la température de l'eau augmente. - Cela crée une boucle de rétroaction positive qui amplifie le réchauffement initial. Il en va de même pour la vapeur d'eau atmosphérique. ### II. Les mécanismes atténuant l'effet de serre (puits de $\mathrm{CO_2}$ atmosphérique) 1. L'altération chimique des silicates continentaux lors des orogenèses : - Les chaînes de montagnes augmentent les surfaces exposées à l'érosion. - L'altération des minéraux silicatés (comme les feldspaths ou les pyroxènes) consomme du $\mathrm{CO_2}$ dissous selon la réaction générale : $$\text{Silicate} + \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \text{Argiles} + \mathrm{Ca^{2+}} + 2\,\mathrm{HCO_3^-}$$ - Les ions sont transportés jusqu'à l'océan, où ils permettent la précipitation de carbonates de calcium (calcaires). Le carbone est ainsi piégé durablement dans les roches. - Exemples : la surrection de la chaîne hercynienne au Carbonifère et celle de l'Himalaya au Cénozoïque ont provoqué d'importants refroidissements globaux par baisse du $\mathrm{CO_2}$. 2. Le piégeage biologique et la fossilisation de la matière organique : - La photosynthèse capte le $\mathrm{CO_2}$. - Lorsque la biomasse végétale est enfouie sans être oxydée ni décomposée (milieux anoxiques, tourbières), son carbone est extrait du cycle court pour des millions d'années. Il est conservé sous forme de combustibles fossiles (charbon, pétrole). - Exemple : au Carbonifère, le développement d'immenses forêts et la sédimentation de couches massives de charbon ont fortement réduit le $\mathrm{CO_2}$ atmosphérique. Cette baisse a contribué à la glaciation permo-carbonifère, attestée par les tillites du Gondwana. ### Conclusion Aux échelles géologiques, les variations de l'effet de serre résultent de l'équilibre entre deux types de mécanismes : - les sources de $\mathrm{CO_2}$ (volcanisme, trapps, dégazage océanique) ; - les puits de $\mathrm{CO_2}$ (altération des silicates, précipitation des carbonates, enfouissement de la matière organique). Ces mécanismes sont contrôlés par la tectonique des plaques et par l'activité biologique. Plusieurs indices permettent de reconstituer ces variations : - les bulles d'air piégées dans les glaces ; - l'indice stomatique des feuilles fossiles ; - les isotopes de l'oxygène ; - les indices sédimentaires (tillites, charbons, évaporites). Comprendre ces mécanismes naturels, lents (millions d'années), permet de mesurer la rapidité exceptionnelle de l'augmentation actuelle du $\mathrm{CO_2}$ d'origine anthropique.