Exercice 1 - Première proposition · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Polynésie 2021 (jour 1)

Expliquer le lien entre les variations climatiques à différentes échelles de temps et les mécanismes qui modifient le taux de CO2 atmosphérique.

Réponse : Proposition de synthèse argumentée : ### Introduction Le climat terrestre a connu d'importantes fluctuations au cours des temps géologiques. Ces fluctuations sont corrélées aux variations de la teneur atmosphérique en $\text{CO}_2$, gaz à effet de serre. Quels mécanismes modifient le taux de $\text{CO}_2$ atmosphérique, et comment interviennent-ils dans les variations climatiques à différentes échelles de temps ? Plan : 1. Échelle géologique (dizaines à centaines de Ma). 2. Échelle des cycles quaternaires (dizaines à centaines de milliers d'années). 3. Échelle actuelle (siècles, décennies). ### I. Échelle des temps géologiques : la géodynamique contrôle le $\text{CO}_2$ 1. Sources de $\text{CO}_2$ : - Le dégazage volcanique (dorsales, points chauds, trapps, subduction) libère du $\text{CO}_2$ d'origine mantellique. - Exemple : au Crétacé, une activité des dorsales et des points chauds très intense s'accompagne d'un $\text{CO}_2$ élevé (plusieurs fois le niveau préindustriel). - Ce $\text{CO}_2$ élevé correspond à un climat chaud, sans calottes polaires. Indices : flores et faunes à hautes latitudes, niveau marin élevé, $\delta^{18}\text{O}$ des foraminifères. 2. Puits de $\text{CO}_2$ : - L'altération des silicates consomme du $\text{CO}_2$ : $2\,\text{CO}_2 + \text{CaSiO}_3 + 3\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca}^{2+} + 2\,\text{HCO}_3^- + \text{H}_4\text{SiO}_4$. - Les ions précipitent ensuite en carbonates dans l'océan : $\text{Ca}^{2+} + 2\,\text{HCO}_3^- \rightarrow \text{CaCO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$. Le bilan net est d'1 $\text{CO}_2$ piégé par silicate altéré. - Exemples : l'orogenèse hercynienne (Carbonifère-Permien) s'accompagne d'une glaciation. La collision himalayenne (Cénozoïque) s'accompagne d'un refroidissement progressif et de l'installation de la calotte antarctique (~34 Ma). - Le stockage de matière organique : au Carbonifère, l'enfouissement massif de biomasse végétale (forêts à lignine peu dégradée) forme le charbon. Ce piégeage abaisse le $\text{CO}_2$ et augmente l'$\text{O}_2$. - Le climat est stabilisé à long terme par une rétroaction négative : un climat chaud et humide accélère l'altération, ce qui fait baisser le $\text{CO}_2$. ### II. Échelle du Quaternaire : le $\text{CO}_2$ amplifie les forçages orbitaux - Les carottes de glace (Vostok, EPICA) fournissent deux types d'indices : - Les bulles d'air piégées donnent le $\text{CO}_2$ passé. - Le $\delta\text{D}$ ou $\delta^{18}\text{O}$ de la glace donne la température. - Ces données montrent une alternance de glaciaires (~180-190 ppm) et d'interglaciaires (~280-300 ppm), avec une périodicité d'environ 100 000 ans. - Le déclencheur est astronomique : les paramètres de Milankovitch (excentricité, obliquité, précession) modifient l'insolation estivale aux hautes latitudes nord. - Le $\text{CO}_2$ joue le rôle de rétroaction positive. La solubilité du $\text{CO}_2$ diminue quand l'eau se réchauffe, si bien que l'océan dégaze lors des réchauffements. La pompe biologique et la circulation océanique interviennent aussi. - Autres rétroactions : l'albédo des glaces et la vapeur d'eau amplifient les variations. - À l'échelle de 10 000 ans, l'activité biologique et l'altération modulent faiblement le $\text{CO}_2$. ### III. Échelle actuelle : la perturbation anthropique - Le $\text{CO}_2$ est passé de ~280 ppm (vers 1850) à plus de 420 ppm aujourd'hui. Mesures : courbe de Keeling (Mauna Loa) et carottes de glace récentes. - Causes : - la combustion des combustibles fossiles, qui réinjecte en quelques siècles du carbone stocké pendant des millions d'années ; - la déforestation ; - la production de ciment. - L'origine fossile du carbone est prouvée par la baisse du $\delta^{13}\text{C}$ et l'absence de $^{14}\text{C}$ dans le $\text{CO}_2$ ajouté. - Conséquences : - réchauffement d'environ +1,1 à 1,2 °C ; - fonte des glaces ; - élévation du niveau marin ; - acidification des océans. - Les puits naturels (océan, biosphère) n'absorbent qu'environ la moitié des émissions. - La vitesse de cette variation est sans équivalent dans les archives géologiques. ### Conclusion À toutes les échelles de temps, le $\text{CO}_2$ est lié au climat par l'effet de serre, mais les mécanismes diffèrent : - à long terme : volcanisme, altération et stockage de carbone ; - au Quaternaire : rétroaction océanique amplifiant le forçage orbital ; - aujourd'hui : déstockage rapide du carbone fossile par l'Homme. Comprendre le passé permet de modéliser les climats futurs (scénarios du GIEC) et de justifier la réduction des émissions (atténuation) ainsi que l'adaptation.