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 Effet de serre et cycle du carbone à long terme

Problématique :

  On redoute aujourd'hui une augmentation de température à travers une augmentation du taux de dioxyde de carbone. Quel a été le rôle de l'effet de serre au cours des temps géologiques ? 

  Pour répondre à cette question nous utiliserons le modèle :  EserreCCL.vmf  (EserreCCL.zip). Ce modèle utilisé est une adaptation de Géocarb II, conçu par R.A Berner de l'université de Yale. C'est un modèle du cycle du Carbone à long terme qui fonctionne sur une durée de 600 Ma, soit l'équivalent des temps phanérozoïques.

Présentation du modèle :

  Ce modèle traduit des processus d'échanges lents, par conséquent on n'introduira qu'un seul réservoir superficiel réunissant les réservoirs "biomasse, océan et atmosphère", considérant que les échanges entre ces réservoirs sont à l'équilibre; et par simplification un réservoir "roches sédimentaires" limité aux seuls carbonates, et un réservoir "carbone organique ou roches carbonées".

    Pour avoir plus d'informations, consulter cette page.

Validation du modèle utilisé :

  La synthèse de l'ensemble des informations d'ordre climatique, apportées par les roches d'époques différentes, permet d'obtenir la courbe des températures ci-dessous d'après Scortèse et Mc Kerrow. Cette courbe de référence est comparée à la courbe calculée par le modèle.
 

La comparaison montre que le modèle est en conformité avec les grandes variations de température construites à partir de données objectives, à l'exception de la variation Ordo-Silurienne. Le modèle est donc valide mais imprécis.

 Démarche 1 : importance de l'effet de serre au cours des temps géologiques.

Dans ce modèle adapté du modèle du chercheur, il est possible de modifier à l'aide d'un curseur l'importance de l'effet de serre pour en tester l'impact. Les modifications effectuées seront directement accessibles à travers la température globale.

En mode simulation, l'expérimentateur pourra travailler dans deux situations :

  On note qu'avec une telle simulation la température actuelle est à 15 °C, ce qui signifie que lorsque le curseur est à zéro, nous n'avons pas effacé l'effet de serre (la température serait inférieure de 30°C) mais nous considérons que cette valeur actuelle de l'effet de serre est restée  constante.

  Interprétation :

L'effet de serre étant resté constant l'augmentation de la température n'est pas liée à une augmentation du taux de CO₂. 

 Mais à une augmentation de l'insolation. Effectivement la comparaison avec des étoiles similaires montre que la puissance du soleil était à cette époque inférieure à sa valeur actuelle.

relatives du carbone (Concentration en CO₂ atmosphérique passé par rapport à l'actuel) au cours des temps géologiques.

 Interprétation : Les variations de température sont cette fois dues à une augmentation de l'insolation et à la variation de l'effet de serre.

Quelle est alors la part de l'augmentation de l'effet de serre ?

  Le modèle permet d'afficher à la fois :

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Ces estimations sont fondées sur des données diverses, analyse d'isotopes dans les paléosols, les tests de foraminifères, les concrétions calcaires et analyse de la densité des stomates dans les feuilles fossiles.

 

•   Une forte, au cambrien (-500 MA), on note alors une augmentation de la température de 15 °C.

Or les températures réelles à ces deux périodes sont comparables : 19°C au cambrien et 17°C au crétacé. C'est donc grâce à un effet de serre fort (qui a permis une température favorable) pendant le primaire, alors que l'insolation était faible, que la vie s'est largement développée.

 Démarche 2 : Glaciation et effet de serre.

  Quel a été le rôle de l'effet de serre au cours des temps géologiques ?

  Pour répondre à cette question, il est nécessaire d'analyser en parallèle la courbe de la température moyenne au cours des 600 derniers millions d'années et le taux de dioxyde de carbone par rapport à l'actuel.

  Pour faire une analyse précise, repérer sur le graphe les températures 12°C et 15°C (température actuelle moyenne).

Et placer à l'aide du document ci-dessous les périodes où l'extension des glaces est importante sur le graphe température du modèle.

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On  note que les périodes dont la température est inférieure à 12°C sont des périodes froides et inversement.

 Nommer ces grandes glaciations :

1 : glaciation mio-plio-quaternaire

2 : glaciation permo-carbonifère

3 : glaciation ordovicienne

4 : glaciation panafricaine

 Faire le parallèle avec la variation du carbone relatif.

 

Interprétation :

  On note qu'il y a une bonne corrélation entre les glaciations et ce rapport de dioxyde de carbone : Lorsqu'il y a glaciation le taux de CO₂ est bas, et quand il fait chaud le taux de CO₂ est  élevé. A l'exception de la glaciation ordovicienne qui ne correspond pas d'après les données actuelles à une chute du taux de dioxyde de carbone.

  Pourquoi à ces différentes époques le taux de CO₂ a-t-il ainsi baissé ?

• Pour la glaciation fini-ordovicienne elle est trés différente des précédentes, elle ne semble pas associée à une orogenèse, mais liée à l'existence d'une grande plateforme cratonique sous haute latitude.

• Pour la glaciation panafricaine, elle est associée  à l'orogenèse panafricaine et à la particularité d'être représentée sur tous les continents pour la plupart situés sous les tropiques. D'où l'hypothèse de la "Snowball Earth".

   

Démarche 3 : tester l'hypothèse de la "Snowball Earth".

• Préliminaire scientifique
  Le modèle utilisé : EserreCCL.vmf  (EserreCCL.zip) permet d'aborder l'hypothèse, controversée, d'une « Terre boule de neige ». Elle n'est pas récente, mais la formule inventée par Joseph Kirschvink date seulement de 1992. Dans cette hypothèse, il y a 600 MA d'années, juste avant "l'explosion de la vie" à une époque nommée Néo-protérozoïque, le froid était si intense que les terres proches de l'équateur à l'époque semblent avoir également gelé.

   

  La Terre boule de  glace ?

    Elle apparaît après une première glaciation qui date de 2,6 GA à 2,3 GA mais où l’extension des glaciers est mal connue. La deuxième période glaciaire date de 600 MA.

    L'existence de cette glaciation précambrienne est marquée dans de nombreux ensembles sédimentaires par  :

  des stries parallèles gravées sur les roches par l'écoulement des glaces,

   des cailloux abandonnés par des icebergs,

    En utilisant un modèle climatique d'une calotte glaciaire et en appliquant à ce modèle une circulation atmosphérique, on obtient un océan gelé sauf dans la bande intertropicale.

   

  (D'après Hyde et al., Nature 405, mai 2000)

   

  Les indices de variations climatiques extrêmes :

   

  Les arguments en faveur de cette hypothèse de la snowball ne manquent pas :

   Le rapport isotopique du carbone est proche à cette époque de celui du manteau, donc différent du rapport isotopique lié à l’activité biologique. Il y a donc eu arrêt de l’activité biologique pendant cette période probablement dû à l’englacement ;

  La luminosité est inférieure de 6 % à sa valeur actuelle

  Le taux de CO₂ est bas, il est lié à l’altération d’un super-continent

   >Les américians Cornelis Klein et Nic Beukes s'aperçurent que les glaciations précambriennes coïncidaient aussi avec la réapparition de dépôts d'argiles très riches en fer (les BIF, pour Banded Iron Formations) qui avaient disparu depuis plus d'un milliard d'années. Or leur formation suppose un océan privé d'oxygène.
   

  Pourtant cette théorie a déjà été rejetée car la Terre ainsi entièrement gelée possède alors un fort pouvoir réfléchissant "l'albédo", et il faut une énergie énorme pour la sortir de cette léthargie.

   

  Simulations

   

  Nous avons choisi de vérifier si effectivement à partir d'un modèle global du cycle du carbone à long terme il était possible que cette Terre gelée puissent rapidement (quelques centaines d'années) selon l'hypothèse sortir de cette léthargie. Et en agissant seulement sur le rôle du dioxyde de carbone dans le phénomène d'effet de serre.

   

  Avec ce modèle l'expérimentateur pourra simuler diverses situations :

  • Un effet de serre constant et de valeur égal à la valeur actuelle : curseur sur 0
  • Un effet de serre équivalent a la valeur estimée : curseur sur 1

   

  Ces diverses simulations - voir documents ci-dessus - montrent qu'à 600 MA avec l'effet de serre estimé la température moyenne augmente rapidement et à un niveau lui permettant de faire fondre la glace qui recouvrait la Terre.
   

  D'où vient ce CO₂  ?

   

  Une glaciation, même globale, n'empêche pas les volcans de fonctionner et de rejeter du gaz carbonique. En temps normal, ces émissions sont compensées à la fois par la photosynthèse et par l'altération des roches silicatées. Mais dans le cas d'une Terre entièrement gelée, les phénomènes de photosynthèse et d'altération sont inexistants, et le gaz carbonique s'accumule dans l'atmosphère. Résultat, la surface de la Terre se  réchauffe par effet de serre.

   

  En 1992, Jim Kasting, de l'université de Pennsylvanie, calcula qu'il fallait une pression partielle en CO₂ de 0,12 bar (soit environ 400 fois plus qu'actuellement) pour libérer la Terre de sa couverture de glace. Cette valeur est compatible avec une accumulation de ce gaz dans l'atmosphère pendant plusieurs millions d'années par dégazage volcanique.

  Mode utilisation du modèle
  Vensim Model Reader : voir prise en main du logiciel
  Modèle : EserreCCL.vmf  (EserreCCL.zip) sous forme mdl qui s'ouvre avec Vensim PLE et qui est modifiable ou sous form vmf qui s'ouvre avec Vensim Model Reader non modifiable
  Fiche de tp

  Bibliographie :

  • Quand la Terre était gelée Paul Hoffman, Daniel Schrag Pour la science N°268 février 2000 
  • Coup de froid sur la planète Gilles Ramstein, Monica Rotaru Revue du Palais de la découverte N°286 Mars 2001

  Équipe INRP de l'académie d'Orléans-Tours.