Évolution naturelle du CO2 atmosphérique

Laurent Bopp

Laboratoire de sciences du climat et de l'environnement.

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

16/06/2000

Résumé

TD 1/3 sur le cycle du carbone. Étude de la variation de la concentration du CO2 dans l'atmosphère à l'échelle du milliard, du million et du millier d'années.


Depuis 4,6 milliards d'années…

Figure 1. Évolution de la composition de l'atmosphère au cours des temps géologiques.


Ce schéma donne une idée de l'évolution comparée des principaux gaz de l'atmosphère depuis la formation de notre planète il y a 4,6 milliards d'années. Il est très qualitatif et correspond à des extrapolations de ce que l'on connaît de la formation de la terre, de la présence de certaines roches (oxydées ou non oxydées)….

Q1 : Comment expliquer la diminution de la vapeur d'eau dans l'atmosphère entre 4,5 et 4 milliards d'années ?

Q2 : Et celle du dioxyde de carbone ?

Q3 : Enfin, proposer quelques hypothèses permettant d'expliquer l'augmentation de l'oxygène atmosphérique depuis 2,5 Ga.

Au cours des derniers millions d'années

Nous allons ici introduire une méthode récente et simple utilisée pour reconstruire l'évolution de la pression partielle du CO2 atmosphérique au cours des derniers millions d'années. Cette méthode est basée sur les relations entre la Pco2 atmosphérique et la densité des stomates sur les feuilles de certaines plantes.

L'index stomatique

Figure 2. Stomates


Q4 : A partir d'une photo ou d'un montage sous microscope, estimer l'index stomatique d'une espèce actuelle. L' index stomatique est défini par le rapport entre le nombre de stomates et le nombre de cellules épidermiques.

Sur certaines plantes fossiles récentes, on a également pu déterminer l'index stomatique

Années

Pco2 (ppm)

Index stomatique (%)

1880

290

15,8

1903

297

15,2

1910

300

14

1943

310

13,5

1966

320

12,7

1976

330

13

1991

355

10,8

Ce tableau donne la correspondance entre l'index stomatique de l'espèce Quercus Petraea (le chêne sessile) et la pression partielle de dioxyde de carbone mesurée dans l'atmosphère pour les 120 dernières années (d'après Van der Burgh et al., Science, 1993)

Q5 : Utiliser ces données pour estimer de façon graphique la relation entre la Pco2 atmosphérique et l'index stomatique de cette espèce de chêne.

Q6 : Estimer la pente de cette droite. Son signe vous paraît–il logique ?

Q7 : Avancer une explication pour décrire la variation du nombre de stomates avec la pression atmosphérique de Pco2.

Construction d'une courbe (grossière) de variation de la pCo2 atmosphérique sur les 10 derniers millions d'années


On a pu mesurer l'index stomatique sur des feuilles de chêne fossilisées. En fait seule la cuticule est conservée et reflète l'agencement des cellules épidermiques et des stomates. Une détermination de l'indes stomatique y est possible.

Q8 : À partir du tableau suivant, reconstruire la courbe de Pco2 pour la période –2 Ma / -10 Ma.

Âge (Ma)

Index stomatique (%)

-2,5

9,5

-4,5

11,5

-6,5

16,2

-8

12

-10

12,5

De plus, des reconstructions paléoclimatiques ont montré que le climat avait été tempéré autour de –5/-8 Ma (Sustérien) et plutôt sub-tropical avant et après cette période.

Q9 : Que pouvez vous conclure sur la relation Pco2 / température pour les dix derniers millions d'années.

La courbe du CO2 passé depuis 600 Ma

Le même genre de méthode (relation index stomatique et Pco2) ainsi que des méthodes basées sur des mesures isotopiques dans les sols et les carbonates marins ont permis de reconstruire la courbe du CO2 passé. Sur la figure suivante, RCO2 représente le rapport entre la valeur de CO2 estimée et 300 ppm.

Figure 4. RCO2 au cours des 600 derniers milions d'années

D'après Berner, Science, 1997.


La chute du CO2 atmosphérique au cours du Dévonien (-400 / -300 Ma) a été expliquée par l'augmentation de la présence des plantes vasculaires sur les continents. Les racines de ces plantes favorisent l'érosion des sols et la dissolution des alumino-silicates. L'effet net de la dissolution des alumino-silicates est une diminution du CO2 atmosphérique :

2CO2 + 3H2O + CaAl2Si2O6 → Ca2+ + 2 HCO3 - + Al2Si2O5(OH)4

Le HCO3 - est transporté vers les océans où il y est retiré par formation de carbonate de calcium ou de magnésium.

Au cours des derniers milliers d'années : CO2 et cycles glaciaires et interglaciaires

Les principales calottes polaires (Antarctique et Groenland) « stockent » la neige qui y tombe sous forme de glace. Elles enregistrent ainsi dans des bulles de gaz entre les cristaux de glace la composition atmosphérique de l'époque à laquelle les bulles d'air entre les cristaux ont été isolées de l'atmosphère libre.

En réalisant des forages en Antarctique et au Groenland (voir cartes), les scientifiques ont ainsi pu avoir accès à l'histoire de la composition atmosphérique depuis que les calottes polaires enregistrent ces informations.

Mesures de pression partielle de CO2 réalisées dans les bulles de gaz du forage de Vostok


La première étape pour traiter et comprendre ces variations est l'élaboration d'un axe des temps. Plusieurs méthodes plus ou moins compliquées ont été utilisées. Ici, nous introduisons une méthode simple, basée sur la datation de quelques points précis dans le forage.

On a pu dater trois points avec une certaine précision pour ce forage.

  • A 700 m de profondeur, on a mesuré une anomalie en 10Be qui témoigne d'un accident du champs magnétique terrestre. Cet accident a été daté par ailleurs à -40 000 ans.
  • A 2 000 m de profondeur, on a retrouvé des cendres volcaniques qui ont été attribuées au Mt Berlin. Cette éruption a été datée à -141 000 ans.
  • L'age du fond du forage (3 950 m) a été estimé à -390 000 ans grâce à un modèle rhéologique de la calotte polaire.

Q10 : A l'aide de ces informations, tracer la courbe de correspondance entre la profondeur et l'âge de la glace (on fait l'hypothèse de variations linéaires de cette correspondance entre ces dates).

Évolution de la pCo2 atmosphérique en fonction du temps pour les 400 000 dernières années


Q11 : A l'aide de cette courbe, dessiner de façon grossière l'évolution de la Pco2 atmosphérique en fonction du temps pour les 400 000 dernières années.

Q12 : Quelles sont les principales conclusions que vous pouvez tirer de l'étude de cette courbe.

Estimations des variations de la température


Q13 : Que peut-on conclure de la comparaison des variations de la température et du CO2 ?

Q14 : Comment expliquer les variations de la concentration de CO2 dans l'atmosphère au cours des transitions glaciaire-interglaciaire ?

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