Reflets de la Physique n°55 oct/nov/déc 2017
Reflets de la Physique n°55 oct/nov/déc 2017
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°55 de oct/nov/déc 2017

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 4,8 Mo

  • Dans ce numéro : une brève histoire du climat de la Terre.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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 » > bassins océaniques jusqu’à il y a environ 1,5 Ga, mais au-delà cela reste très difficile. Ceci constitue un mur pour la modélisation des climats. Sans connaissance de la distribution des bassins océaniques et des masses continentales, plus de possibilité de calculer la circulation atmosphérique et océanique. Néanmoins les hypothèses émises par J. Kasting, qui corrèlent l’irruption de l’oxygène avec la première glaciation globale, paraissent tout à fait plausibles. En effet, la montée en puissance de l’oxygène ne modifie pas directement le bilan radiatif de l’atmosphère, car l’oxygène n’est pas un gaz à effet de serre ; par contre, il y a des dommages collatéraux et en particulier chimiques, car l’oxygène va bouleverser la donne dans la distribution des gaz à effet de serre de notre planète. D’une part, il va transformer très rapidement le méthane (qui avait une durée de vie longue dans une atmosphère anoxique) en dioxyde de carbone, qui est un gaz à effet de serre bien moins puissant que le méthane. D’autre part, comme l’oxygène constitue un poison puissant pour les bactéries méthanogènes, celles-ci vont se réfugier dans des niches anoxiques. De fait, l’oxygène va couper la source et augmenter le puits de méthane, et donc bouleverser l’équilibre radiatif de la planète... et c’est le premier accident froid. Pour le second accident, qui est beaucoup plus récent, on dispose d’informations bien plus nombreuses. Insolation moyenne annuelle (W.m -2) 500 400 300 200 60° 10 Reflets de la Physique n°55 90° 23,5° Une Terre toute blanche au Néoprotérozoïque Cette période de l’histoire de la Terre, qui s’étend d’il y a 750 jusqu’à 620 millions d’années (Ma), est géologiquement très riche d’énigmes et de controverses. Nous allons décrire ici les quatre principaux paradoxes qui ont émergé à la fin du 20 e siècle sur cette période. D’abord W. Brian Harland (qui était géologue à l’Université de Cambridge) montrait dès les années 1960 qu’il existait, à cette période, des calottes de glace... au niveau de l’équateur. En effet, sur de très vastes zones, des sédiments glaciaires (des tillites (d)) mettaient en évidence l’existence d’énormes calottes de glace qui s’étendaient de l’équateur jusqu’aux tropiques. Pour résoudre ce premier paradoxe, un géophysicien australien, George Williams, avait fait l’hypothèse audacieuse que l’obliquité terrestre (angle que fait l’axe des pôles avec le plan de l’écliptique) aurait pu être bien plus élevée au Néoprotérozoïque. En effet, si cette obliquité avait été de l’ordre de 60°, la distribution en latitude des températures annuelles aurait été inversée. C’est-à-dire que la zone la plus froide, en moyenne annuelle, se serait trouvée à l’équateur tandis que les pôles auraient connu des températures plus élevées (fig. 4). Cette hypothèse était donc très séduisante. Elle expliquait pourquoi à l’époque, avec une forte obliquité terrestre, les calottes 1 i I T I -90 -60 -30 0 30 60 90 Latitude (degrés) 4. Variation de la valeur moyenne de l’insolation terrestre en fonction de la latitude, pour des obliquités terrestres de 23,5° (l’actuelle), de 60° et de 90°. lm s’étaient plutôt développées à l’équateur. Mais elle s’est révélée fausse. D’une part, parce que des astrophysiciens (B. Levrard et J. Laskar [3]) montrèrent qu’on ne disposait d’aucun mécanisme satisfaisant pour faire revenir l’obliquité terrestre à sa valeur actuelle et, d’autre part, parce que Yannick Donnadieu et moi-même démontrâmes qu’avec une telle obliquité les calottes de glace n’auraient pu se développer à cause du très fort cycle saisonnier qui lui aurait été associé. L’interprétation de Harland, qui observait ces calottes à l’équateur, fut tout naturellement d’imaginer que la Terre s’était complètement englacée au Néoprotérozoïque. Malheureusement, il ne fut pas difficile aux modélisateurs de l’époque de montrer que, si tel avait été le cas, l’albédo, c’està-dire le pouvoir réfléchissant de notre planète, serait passé d’une valeur de 0,3 (valeur actuelle de notre planète bleue) à des valeurs bien plus élevées, de 0,6 à 0,8 (celles d’une planète « boule de neige »). Dans les années 1960, on pensait que seule l’augmentation de la luminosité solaire pouvait avoir permis la déglaciation d’une Terre boule de neige. De ce simple fait, il aurait fallu augmenter la puissance solaire d’un facteur proche de 1,5 pour sortir de cette glaciation globale, et comme vous pouvez le constater sur la figure 2, cela aurait pris des milliards d’années. La glaciation du Néoprotérozoïque aurait donc dû se prolonger au moins jusqu’à nos jours. L’hypothèse de la Terre boule de neige, initialement énoncée par Harland, allait donc faire long feu. Elle fut remisée pendant une petite trentaine d’années. Trois paradoxes supplémentaires allaient émerger pour la période du Néoprotérozoïque et conduire à l’exhumation de la théorie de la Terre boule de neige. Le premier paradoxe est la réapparition des formations de fer rubanées (BIF pour Banded Iron Formation). Ces formations, qui se produisent dans un océan sans oxygène, sont très courantes dans l’océan primitif archéen (il y a 3,8 à 2,5 Ga). Elles en constituent même l’archétype. Peu de temps après le GEO, il y a 1,8 milliards d’années, ces formations ont disparu des fonds océaniques. Leur réapparition au Néoprotérozoïque, dans différents bassins océaniques, est donc très surprenante, comme si les fonds marins avaient été de nouveau dépourvus d’oxygène.
Le second paradoxe tient à l’évolution du fractionnement entre les isotopes C 12 et C 13. Celui-ci est marqué par la présence de la vie, qui modifie le rapport de la concentration en C 12 par rapport à celle en C 13. Or, pour ces périodes du Néoprotérozoïque, on n’observe plus de fractionnement biologique et le taux de C 13 dans l’atmosphère reste invariant et égal à celui de sa source volcanique, comme si la biosphère avait été extrêmement réduite. Enfin, le troisième paradoxe, le plus spectaculaire géologiquement, est lié au fait que les tillites (preuves de glaciations) sont surmontées de montagnes de carbonate (Cap Carbonates) qui se forment aujourd’hui surtout dans les eaux chaudes, comme si après la glaciation le climat avait basculé dans une étuve. C’est le physicien américain Joe Kirschvink qui fournit une explication à tous ces paradoxes. La Terre avait en effet subi une glaciation globale, comme l’avait suggéré Harland trente ans auparavant. Cependant, la sortie de cette glaciation n’était nullement liée à l’augmentation de la luminosité solaire, mais encore une fois au cycle du carbone. En effet, avec des calottes glaciaires sur les continents et des banquises recouvrant les océans, la Terre n’interagit plus avec le CO 2 émis par le volcanisme, car il n’y a plus de contact entre les précipitations et les roches. L’oxygène percole mal dans les océans et la biosphère en prend un coup. Le CO 2 s’accumule donc dans l’atmosphère jusqu’à ce que son effet radiatif (comme gaz à effet de serre) soit tel qu’il déglace la Terre gelée. Il ne s’agissait donc plus d’attendre des milliards d’années, mais seulement quelques millions d’années. Le dégel de la planète conduit à former une masse de carbonate pour revenir à l’équilibre. Cette théorie fut brillamment expliquée et corroborée par Paul Hoffman, de l’université de Harvard, et s’imposa petit à petit dans la communauté scientifique. En effet, elle résolvait la plupart des énigmes. Mais nous n’avons toujours pas expliqué l’origine de cette glaciation. Pourquoi au Néoprotérozoïque, alors que le Soleil était à 94% de sa luminosité actuelle et que la Terre semblait sortie d’affaire, au moins pour ce qui est d’échapper à une glaciation, tout à coup la Terre s’englace ? Quelles sont donc les causes de cet accident ? Le tryptique climat/tectonique/cycle du carbone La dérégulation climatique du Néoprotérozoïque La tectonique, et plus exactement les liens tectonique-climat à travers l’altération des silicates et l’érosion, va jouer un rôle crucial dans un effondrement du CO 2 dans l’atmosphére. Revenons un peu en arrière et prenons de la distance temporelle. Il y a 1,3 à 1,1 Ga, un supercontinent, le Rodinia, s’accrète ; il occupe une position particulière entre les deux tropiques. On a l’habitude, pour simplifier, de dire que la danse des continents Latitude (degrés) Latitude (degrés) 90 nord 90 nord 60 nord 60 nord 30 nord 30 nord Équateur Équateur 30 sud 30 sud Images de la physique sur la lithosphère consiste en la formation d’un supercontinent puis au délitement de ces énormes masses continentales en plaques plus petites. Ce sont les cycles de Wilson, avec des fréquences d’environ 500 millions d’années. C’est ce qui va se produire ici (fig. 5) ; mais ce qui va rendre l’éclatement du Rodinia tout à fait particulier du point de vue climatique, c’est que les petites plaques continentales issues de ce supercontinent vont rester en zone tropicale. Contrairement au Rodinia, plutôt aride au centre et arrosé en périphérie, ces plaques plus petites vont être beaucoup plus intensément arrosées, subir une érosion maximale, et l’altération silicatée va littéralement pomper le CO 2 atmosphérique et produire l’englacement. Reconstruction à 800 Ma Reconstruction à 800 Ma 60 sud 60 sud 90 sud 90 sud -174,3 -122,87 -71,44 -20,01 31,42 82,85 134,28 185,71 -174,3 -122,87 -71,44 -20,01 31,42 82,85 Longitude (degrés) 134,28 185,71 Longitude (degrés) 90 nord 90 nord 60 nord 60 nord 30 nord 30 nord Équateur Équateur 30 sud 30 sud 60 sud 60 sud Reconstruction à 750 Ma Reconstruction à 750 Ma 90 sud 90 sud -174,3 -122,87 -71,44 -20,01 31,42 82,85 134,28 185,71 -174,3 -122,87 -71,44 -20,01 31,42 82,85 134,28 185,71 Longitude (degrés) Longitude (degrés) » > -25 -20 -10 0 10 15 20 25 -25 -20 -10 0 10 15 20 25 Température (°C) Température (°C) 5. Modélisation de l’éclatement du supercontinent Rodinia. Les masques noirs correspondent à la distribution continentale reconstruite à partir du paléomagnétisme. Les températures moyennes à la surface (en °C) sont montrées par un code couleur. (a) Il y a 800 millions d’années, avant la phase glaciaire du Néoprotérozoïque et l’éclatement du Rodinia, le modèle climat-carbone s’équilibre à une concentration atmosphérique en CO 2 de 1800ppm. (b) Il y a 750 millions d’années, le modèle climat-carbone s’équilibre à une concentration atmosphérique en CO 2 de 500ppm, le Rodinia s’est fragmenté en zone tropicale et les températures ont fortement baissé. (D’après Y. Donnadieu et al. [4]). Reflets de la Physique n°55 11



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