Les variations du taux de CO₂ dans l'atmosphère depuis 4,5 milliards d'années

On estime la quantité de CO₂ il y a 4,5 milliards d'années de deux façons :

Ainsi, il y a 4,5 milliards d'années, on pense qu'il y avait entre 30 à 60 atmosphères de CO₂ (3 000 000 à 6 000 000 de pascals), soit 100 000 fois la quantité actuelle de CO₂.

Source - © 1996 Dossier Atmosphère, Pour la Science

Figure 1. Évolution de la proportion en gaz atmosphériques (en pourcent) depuis 4,5 milliards d'années

(Voir aussi l'évolution du dioxygène dans l'atmosphère deupis 4,5 Ga (dans Les forêts produisent-elles du dioxygène ?) ainsi que les gisements d'uraninite depuis 4,5 Ga.)

Des traces de glaciations et d'évaporites indiquent que depuis 3,8 milliards d'années, la température moyenne oscille entre 0 et 100°C (l'eau liquide indiquant une température comprise entre 0 et 100°C)... Or les astronomes nous indiquent une évolution du rayonnement solaire au cours du temps (40 % de d'augmentation depuis 4 milliards d'années).

Par exemple, il y a 3,8 milliards d'années, l'eau était liquide au Groenland (présence de galets). Avec le rayonnement solaire de l'époque et un taux de CO₂ atmosphérique identique à l'actuel, la température de la Terre aurait dû être de - 20°C. Il y avait donc plus de CO₂ dans l'atmosphère (probablement 1 atm de CO₂).

Il y a 3 milliards d'années, on trouve des glaciers. Si on suppose un taux de CO₂ équivalent à celui d'il y a 3,8 milliards d'années, il aurait fait trop chaud. Il faut donc supposer un effet de serre moins important, et donc un taux de CO₂ dans l'atmosphère plus faible.

Pour toutes les périodes où l'on trouve des sédiments « climatiques », on peut appliquer ce raisonnement... et on fait décroître le taux CO₂ de 100 000 fois la quantité actuelle il y a 4,5 milliards d'années et d'environ 5 à 15 fois la quantité actuelle il y a 600 millions d'années (fin du précambrien). Notez que dans les sédiments de tous âges, des règles de sédimentologie et de précipitations des dépôts donnent indirectement la pression partielle en CO₂ dans le milieu en fonction des rapports de carbonates précipitants (carbonates de Ca, de Mg, de Fe).

Pour les périodes plus récentes, on change de raisonnement : on suppose que la quantité de carbone en surface est à peu près constante, et se partage entre différents réservoirs (carbonates, CO₂ dissout sous diverses formes dans l'océan, matière organique fossile, biomasse, et atmosphère)... Les réservoirs les plus importants, ce sont les carbonates et les sédiments carbonées, puis le CO₂ dissout océanique. Le carbone dans la biomasse vivante est négligeable. La teneur de CO₂ atmosphérique dépend donc de la quantité de roches sédimentaires à une époque donnée, et du pH de la mer (qui règle l'équilibre CO₂ gaz - CO₂ dissout).

Par ailleurs, les sédimentologistes nous fournissent la courbe de l'évolution phanérozoique des dépôts de carbonates, de roches carbonées et du pH marin. A partir de cette courbe (établie par des méthodes de bilans des carbonates à une époque donnée et extrapolation, apport de calcium par altération, lui même déduit de l'évolution du rapport ⁸⁶Sr/⁸⁷Sr, ...), on peut estimer la teneur en CO₂ atmosphérique. Depuis 600 millions d'années, on estime que la quantité de CO₂ atmosphérique a varié entre 0,5 et 20 fois la quantité actuelle.

Une belle méthode pour la période post-carbonifère moyen, c'est l'utilisation de l'indice stomatique des feuilles fossiles de plantes vasculaires. On sait que plus il y a de CO₂ dans l'atmosphère et moins il y a de stomates (indice stomatique faible). on montre ainsi qu'au carbonifère (300 millions d'années), la teneur en CO₂ était probablement aussi faible que maintenant. Puis elle a augmenté jusqu'au Crétacé (5 fois la valeur actuelle). Des valeurs relativement élevées de la teneur en CO₂ se sont maintenues pendant le Mésozoïoque (de 240 à 100 millions d'années). depuis cette teneur diminue (de 80 à 0 millions d'années).

Source - © 1997 Berner, Science

Figure 2. Paramètre RCO₂ en fonction du temps depuis 600 millions d'années

Ce paramètre est défini comme le rapport entre la masse de CO₂ atmosphérique à un temps donné du passé sur la masse actuelle (valeur préi-ndustrielle de 300 ppmv).

La baisse considérable de la teneur en CO₂ pendant le Dévonien et le Carbonifère (de 400 à 300 millions d'années) est mise en relation avec la colonisation du milieu continental par les plantes vasculaires. Les racines profondes auraient contribué à augmenter l'érosion des silicates magnésiens et calciques et des carbonates.

CO₂ + CaSiO₃ ⇄ CaCO₃ + SiO₃

CO₂ + MgSiO₃ ⇄ MgCO₃ + SiO₃

CO₂ + CaCO₃ + H₂O ⇄ 2 HCO₃^- + Ca²⁺

Les ions HCO₃^- sont alors transférés par les rivières vers les océans où se forment des précipités de CaCO₃ et MgCO₃. Globalement, à l'échelle du million d'années, il y a donc transfert de carbone de l'atmosphère vers les roches carbonatées. Notez que, à la fin du phanérozoïque, l'altération de l'orogène hercynien et la fossilisation de matière organique (lignine, charbon) au carbonifère ont également contribué à diminuer le taux de CO₂ atmosphérique.

Par ailleurs, ces données permettent de confirmer la corrélation entre la teneur en CO₂ atmosphérique et le climat. La baisse dévonienne de la teneur en CO₂ a été suivie par l'importante glaciation Permo-Carbonifère. De la même manière, cette corrélation existe à la fin du Cénozoïque.

Au début du Paléozoïque et pendant le Mésozoïque, les fortes teneurs en CO₂ atmosphérique correspondent à un climat plus chaud qu'actuellement.

Source - © 2001 Crowley et Berner, Science

Figure 3. Corrélation entre teneur en CO₂ et extension maximale des restes glaciaires (tillites)

Courbe du haut : Évolution de RCO₂, qui mesure le rapport entre la teneur en CO₂ passé et actuel (valeur préindustrielle de 300 ppmv). La ligne continue représente l'évolution de ce paramètre depuis environ 590 à 600 millions d'années. On peut réaliser la comparaison des concentrations en CO₂ passé (compilation de données, barres verticales) avec les données RCO₂ du modèle GEOCARB III (lignes en pointillé intégrant les incertitudes). Les oscillations du CO₂ modélisées en A prennent en compte des effets de dégazage et de changements climatiques, liés par exemple , à la formation d'une chaîne de montagne. Courbe du bas : Compilation de données continentales témoignant de l'étendue des glaciations. Notez que la durée de la glaciation à 600 millions d'année est encore sujet à débat scientifique.

Sundquist, E.T., The Global Carbon Dioxide Budget, Science, Vol. 259, p. 934, 12 February 1993.

Berner, R.A., The Rise of Plants and Their Effet on Weathering and Atmospheric CO₂, Science, Vol. 276, pp. 544-546, 25 April 1997. doi : 10.1126/science.276.5312.544