Introduction

Depuis 540 millions d'années, les climats de la Terre et sa température moyenne ont changé à plusieurs reprises. Parmi les facteurs qui régissent la température moyenne de la Terre, il y a l'effet de serre, sans lequel la Terre serait actuellement à – 18 °C au lieu de +15 °C. Nous allons montrer que les variations de la concentration en CO₂, un gaz à effet de serre, sont corrélées à celles de la température globale. Nous montrerons par ailleurs qu'elles résultent de plusieurs phénomènes géologiques, impactant le cycle du carbone différemment suivant l'échelle de temps considérée.

I. Température globale, concentration en CO₂ et cycle du carbone à l'échelle des millions d'années

A. Variations de la température globale et de la teneur en CO₂ atmosphérique depuis 540 Ma

1. Durant le Paléozoïque (– 540 à – 250 Ma)

La première moitié du Paléozoïque (– 540 à – 400 Ma) est une période chaude. La concentration en CO₂ de l'atmosphère était 15 à 20 fois supérieure à la concentration préindustrielle.

Le climat de la deuxième moitié du Paléozoïque est caractérisé par un refroidissement, qui atteint son maximum vers – 300 Ma. Ainsi, à la fin du Carbonifère et au début du Permien (– 290 Ma), une calotte glaciaire recouvrait les continents Amérique du Sud, Afrique, Inde, Australie, Antarctique, regroupés en un seul, le Gondwana, situé autour du pôle Sud. Toutefois, les continents de l'hémisphère nord situés près de l'équateur bénéficiaient d'un climat chaud et humide.

La concentration en CO₂ de l'atmosphère a constamment baissé à partir de – 400 Ma pour atteindre un minimum, au plus fort de la glaciation, aux alentours de – 300 Ma. Elle était alors proche de la concentration préindustrielle, voisine de 300 ppm. Elle réaugmente à la fin du Permien, dernière période du Paléozoïque, et la calotte glaciaire disparaît.

2. Durant le Mésozoïque (– 250 à – 65 Ma)

Le Mésozoïque est une ère chaude. La température moyenne était une dizaine de degrés plus élevée que l'actuelle et la concentration atmosphérique en CO₂ était entre trois et cinq fois plus élevée que celle de la période préindustrielle.

3. Durant le Cénozoïque (– 65 Ma à l'actuel)

Pendant la première moitié du Cénozoïque, le climat chaud présent au Mésozoïque persiste. La concentration atmosphérique en CO₂ est au moins trois fois supérieure à celle de la période préindustrielle.

Vers – 34 Ma, à la transition Éocène-Oligocène, il y a une nette baisse de la teneur en CO₂, associée à un refroidissement marqué par le début de l'englacement de l'Antarctique, alors centré sur le pôle Sud.

Vers – 2,5 Ma, c'est au tour des hautes latitudes des continents de l'hémisphère nord d'être recouvertes de glace. La concentration en CO₂ atteint une valeur de 300 ppm il y a 2,5 Ma, valeur qui ne sera plus dépassée jusqu'au début de l'industrialisation.

4. Bilan

Durant les derniers 540 Ma, il existe une concordance entre les variations de la température globale et celles de la concentration en CO₂. Ainsi, les minimums de la concentration en CO₂ coïncident avec les périodes glaciaires, celle du Carbonifère-Permien et celle des derniers 3 Ma. Inversement, les périodes chaudes sont celles où la concentration en CO₂ était nettement supérieure à la teneur actuelle (> 1 000 ppm).

Cette corrélation confirme que les variations de la concentration en CO₂, en agissant sur l'intensité de l'effet de serre, ont déterminé les variations de température à l'échelle des millions d'années. Cela ne signifie pas cependant qu'elles ont été le seul facteur agissant sur le climat.

Pour expliquer les variations de la concentration en CO₂ et donc celles de la température, il faut considérer les perturbations du cycle du carbone.

B. Perturbations du cycle du carbone à l'échelle des Ma

1. Le cycle du carbone à l'échelle des millions d'années

Les atomes de carbone sont contenus dans différents réservoirs. Ces réservoirs sont présentés dans la figure ci-avant, ainsi que les flux qui font varier la teneur en CO₂ atmosphérique, à l'échelle des millions d'années.

Deux flux font baisser la concentration en CO₂ de l'atmosphère à cette échelle de temps. Le premier correspond à l'altération des roches riches en minéraux silicatés (granite, gneiss, basalte). Dès que des reliefs se créent, ils sont immédiatement érodés, ce qui correspond à une destruction mécanique des roches, et altérés chimiquement par l'eau de pluie et de ruissellement. L'eau qui ruisselle et stagne parfois dans le sol et le sous-sol est chargée en CO₂. Le CO₂ et les ions H + dissous réagissent avec les minéraux silicatés, riches en calcium, ce qui forme des argiles et libère des ions Ca²⁺ et HCO₃⁻_. Entraînés par les rivières et les fleuves jusqu'aux océans, ces ions précipitent ensuite sous forme de roches calcaires (CaCO₃). Le bilan de l'altération des silicates associée à la précipitation des carbonates dans les océans piège, sous forme de CaCO₃, une molécule de CO₂ par molécule de silicate altérée.

Le deuxième flux à l'origine d'une baisse de la teneur en CO₂ à l'échelle des millions d'années correspond à la formation des roches carbonées par piégeage des matières organiques. Ce piégeage abaisse la concentration en CO₂ car il empêche la restitution à l'atmosphère du CO₂ qui a servi à la synthèse des matières organiques (photosynthèse).

Un flux assure le transfert du CO₂ du réservoir mantellique à l'atmosphère, le volcanisme. À l'échelle des millions d'années, la concentration en CO₂ de l'atmosphère dépend de l'intensité relative des deux flux qui soutirent le CO₂ de l'atmosphère et de celui résultant des éruptions volcaniques, qui en apporte.

2. Perturbations du cycle du carbone et baisse de la concentration en CO₂ au Carbonifère et au Cénozoïque

La baisse de la teneur en CO₂ durant le Carbonifère s'explique par la formation des chaînes de montagnes de la Pangée (orogenèse hercynienne, dont les traces actuelles sont les massifs cristallins de l'Amérique du Nord et de l'Europe). De même, la baisse durant le Cénozoïque, à partir de la transition Éocène-Oligocène, s'explique par la formation des chaînes alpines et surtout de l'Himalaya. L'altération des reliefs formés, favorisée de plus par un climat chaud et humide lié à leur position intertropicale et un couvert forestier important, a piégé de grandes quantités de CO₂ atmosphérique dans les carbonates des océans.

Le piégeage des matières organiques a été particulièrement important durant la fin du Dévonien et bien plus encore durant le Carbonifère. À cette époque, les continents situés entre les tropiques, soumis à des climats chauds et humides, étaient pour la première fois colonisés par une végétation arborée. C'est la période des fougères arborescentes. Ainsi, d'importants gisements de charbon se forment par enfouissement et transformation des matières organiques de la forêt houillère, préservées de la décomposition.

La figure 2 schématise les mécanismes de la perturbation du cycle du carbone au Carbonifère qui expliquent la baisse de la température durant cette période.

3. Perturbations du cycle du carbone et climat chaud au Mésozoïque

Au Mésozoïque, un volcanisme important, lié à la dislocation de la Pangée, a libéré de grandes quantités de CO₂ dans l'atmosphère. Ce volcanisme est celui ayant lieu à l'axe des dorsales océaniques, aux zones de subduction, aux points chauds. Au Crétacé en particulier, la vitesse d'expansion des océans a été forte, ce qui traduit une forte activité volcanique à l'axe des dorsales.

La figure 3 schématise les mécanismes de la perturbation du cycle du carbone au Mésozoïque qui expliquent la hausse de la température durant cette période.

II. Variations de la température et de la concentration en CO₂ à l'échelle des milliers d'années

A. Les cycles de température glaciaire-interglaciaire

Depuis 3 Ma, nous sommes dans une période glaciaire, définie par l'existence permanente de calottes glaciaires, notamment celle de l'Antarctique, mais son intensité a varié. L'analyse du δ¹⁸O des glaces de l'Antarctique depuis 800 000 ans a montré l'existence de cycles climatiques d'une durée approximative de 100 000 ans. Chaque cycle comprend une longue période de refroidissement lent, dite « période glaciaire », qui dure environ de 80 000 à 90 000 ans, et une phase de réchauffement rapide, dite « période interglaciaire », qui dure de 10 000 à 20 000 ans. La dernière « période glaciaire » s'est traduite il y a 20 000 ans par l'extension maximale des calottes glaciaires de l'Amérique du Nord et de l'Europe. La « période interglaciaire » actuelle a débuté il y a 12 000 ans.

L'analyse de la composition des bulles d'air emprisonnées dans les glaces de l'Antarctique a permis de connaître la concentration en CO₂ depuis 800 000 ans. Elle présente des variations calquées sur celles de la température : un maximum de 280 ppm durant un épisode interglaciaire, et un minimum de 200 ppm au maximum de la glaciation. Cette corrélation suggère qu'à cette échelle des milliers d'années les variations de la concentration du CO₂ ont pu influencer l'évolution de la température.

B. Perturbations du cycle du carbone qui expliquent la corrélation CO₂-température

Alors qu'à l'échelle des millions d'années les phénomènes géologiques ont impacté la température mondiale en modifiant fortement la concentration en CO₂ de l'atmosphère, à l'échelle des milliers d'années, ce sont d'autres mécanismes, les variations périodiques des paramètres orbitaux, qui sont en cause. En faisant varier l'intensité de l'énergie solaire reçue à la surface de la Terre, ils ont déclenché des changements dans la température de surface. Par ce fait, ils ont perturbé le cycle du carbone à court terme en entraînant des modifications dans les échanges de CO₂ entre le réservoir atmosphérique et le réservoir océanique.

En effet, le CO₂ est un gaz dont la solubilité dans l'eau augmente lorsque la température des eaux océaniques de surface diminue. Au cours d'un refroidissement d'origine astronomique, le CO₂ passe donc de l'atmosphère dans les eaux océaniques, ce qui diminue sa concentration et baisse l'effet de serre. Cela amplifie le refroidissement. C'est l'inverse au cours d'un réchauffement. Ainsi, les variations du CO₂ ne déclenchent pas la variation de température mais l'amplifient.

Conclusion

À différentes échelles de temps, il existe une corrélation entre les variations de la teneur en CO₂ de l'atmosphère et celles de la température mondiale.

Les perturbations du cycle du carbone, c'est-à-dire les variations dans les flux entre le réservoir atmosphérique et les autres réservoirs, ont impacté la concentration en CO₂ atmosphérique à l'échelle des millions d'années et ont ainsi modifié l'effet de serre, donc le climat. Ces variations sont liées à la tectonique des plaques.

En revanche, au cours des 800 000 dernières années, si les variations du CO₂ n'ont pas été le facteur déclenchant de l'alternance période glaciaire-période interglaciaire, elles ont amplifié les changements climatiques initiés par les variations périodiques de l'insolation.

Depuis 10 000 ans, nous sommes dans une période interglaciaire durant laquelle la concentration en CO₂ est restée à peu près stable autour de 280 ppm. Mais depuis près de trois cents ans, on constate une augmentation continue de la concentration en CO₂ due à des perturbations du cycle du carbone engendrées par les activités humaines : combustion des charbons et pétroles, calcination des calcaires pour faire des ciments, déforestations. Le dérèglement du cycle du carbone, à une vitesse inégalée dans le passé, est responsable de l'augmentation de près de 1 °C de la température mondiale moyenne, et davantage pour les régions des hautes latitudes, en moins d'un siècle, ce qui entraîne des changements climatiques sur l'ensemble des continents.