Évolution de la Terre
Comme la gemme en lapis-lazuli à laquelle elle ressemble, la planète bleue enveloppée de nuages que nous reconnaissons immédiatement sur les photos satellites semble remarquablement stable. Continents et océans, encerclés par une atmosphère riche en oxygène, abritent des formes de vie familières. Pourtant, cette constance est une illusion produite par l’expérience humaine du temps. La Terre et son atmosphère sont continuellement modifiées. La tectonique des plaques déplace les continents, soulève les montagnes et déplace le fond des océans, tandis que des processus non entièrement compris modifient le climat.
Ce changement constant caractérise la Terre depuis son commencement, il y a environ 4,5 milliards d’années. Dès le début, la chaleur et la gravité ont façonné l’évolution de la planète. Ces forces ont été progressivement rejointes par les effets globaux de l’émergence de la vie. L’exploration de ce passé nous offre la seule possibilité de comprendre l’origine de la vie et, peut-être, son avenir.
Les scientifiques croyaient autrefois que les planètes rocheuses, dont la Terre, Mercure, Vénus et Mars, avaient été créées par l’effondrement gravitationnel rapide d’un nuage de poussière, une déation donnant naissance à un orbe dense. Dans les années 1960, le programme spatial Apollo a changé cette opinion. L’étude des cratères lunaires a révélé que ces gouges avaient été causées par l’impact d’objets qui étaient en grande abondance il y a environ 4,5 milliards d’années. Par la suite, le nombre d’impacts semble avoir rapidement diminué. Cette observation a rajeuni la théorie de l’accrétion postulée par Otto Schmidt. Le géophysicien russe avait suggéré en 1944 que la taille des planètes augmentait progressivement, étape par étape.
Selon Schmidt, la poussière cosmique s’est agglomérée pour former des particules, les particules sont devenues du gravier, le gravier est devenu de petites boules, puis de grosses boules, puis de minuscules planètes, ou planétésimaux, et, finalement, la poussière a atteint la taille de la lune. Plus les planétésimaux devenaient grands, plus leur nombre diminuait. Par conséquent, le nombre de collisions entre planétésimaux, ou météorites, a diminué. La diminution du nombre d’éléments disponibles pour l’accrétion signifiait qu’il fallait beaucoup de temps pour construire une grande planète. Un calcul effectué par George W. Wetherill de la Carnegie Institution de Washington suggère qu’environ 100 millions d’années pourraient s’écouler entre la formation d’un objet mesurant 10 kilomètres de diamètre et un objet de la taille de la Terre.
Le processus d’accrétion a eu des conséquences thermiques importantes pour la Terre, conséquences qui ont dirigé avec force son évolution. Les grands corps qui ont percuté la planète ont produit une chaleur immense à l’intérieur, faisant fondre la poussière cosmique qui s’y trouvait. La fournaise ainsi créée, située à 200 ou 400 kilomètres sous terre et appelée océan magmatique, a été active pendant des millions d’années, donnant lieu à des éruptions volcaniques. Lorsque la Terre était jeune, la chaleur à la surface causée par le volcanisme et les coulées de lave de l’intérieur était intensifiée par le bombardement constant d’énormes objets, dont certains avaient peut-être la taille de la Lune ou même de Mars. Aucune vie n’était possible pendant cette période.
A part clarifier que la Terre s’était formée par accrétion, le programme Apollo a obligé les scientifiques à essayer de reconstruire le développement temporel et physique ultérieur de la Terre primitive. Cette entreprise avait été considérée comme impossible par les fondateurs de la géologie, dont Charles Lyell, à qui l’on attribue la phrase suivante : Aucun vestige d’un début, aucune perspective d’une fin. Cette phrase exprime l’idée que la jeune Terre ne pouvait pas être recréée, car ses vestiges étaient détruits par son activité même. Mais le développement de la géologie isotopique dans les années 1960 a rendu cette vision obsolète. Leur imagination rougie par Apollo et les découvertes de la Lune, les géochimistes ont commencé à appliquer cette technique pour comprendre l’évolution de la Terre.
Dater les roches à l’aide d’horloges dites radioactives permet aux géologues de travailler sur des terrains anciens qui ne contiennent pas de fossiles. Les aiguilles d’une horloge radioactive sont des isotopes – des atomes d’un même élément qui ont des poids atomiques différents – et le temps géologique est mesuré par le taux de désintégration d’un isotope en un autre . Parmi les nombreuses horloges, celles basées sur la désintégration de l’uranium 238 en plomb 206 et de l’uranium 235 en plomb 207 sont particulières. Les géochronologues peuvent déterminer l’âge des échantillons en analysant uniquement le produit de filiation – dans ce cas, le plomb – du parent radioactif, l’uranium.
La recherche de zircons
La GÉOLOGIE DES ISOTOPES a permis aux géologues de déterminer que l’accrétion de la Terre a culminé dans la différenciation de la planète : la création du noyau – la source du champ magnétique terrestre – et le début de l’atmosphère. En 1953, les travaux classiques de Claire C. Patterson, de l’Institut de technologie de Californie, ont utilisé l’horloge à uranium-plomb pour établir un âge de 4,55 milliards d’années pour la Terre et de nombreuses météorites qui l’ont formée. Au début des années 1990, cependant, les travaux de l’un d’entre nous (Allègre) sur les isotopes du plomb ont conduit à une interprétation quelque peu nouvelle.
Comme le soutenait Patterson, certaines météorites se sont effectivement formées il y a environ 4,56 milliards d’années, et leurs débris ont constitué la Terre. Mais la Terre a continué à se développer par le bombardement de planétésimaux jusqu’à environ 120 millions à 150 millions d’années plus tard. À cette époque – il y a 4,44 à 4,41 milliards d’années – la Terre a commencé à conserver son atmosphère et à créer son noyau. Cette possibilité avait déjà été suggérée par Bruce R. Doe et Robert E. Zartman de l’U.S. Geological Survey à Denver il y a deux décennies et est en accord avec les estimations de Wetherills.
L’émergence des continents est arrivée un peu plus tard. Selon la théorie de la tectonique des plaques, ces masses terrestres sont la seule partie de la croûte terrestre qui n’est pas recyclée et, par conséquent, détruite au cours du cycle géothermique entraîné par la convection dans le manteau. Les continents constituent donc une forme de mémoire, car les traces des premiers temps de la vie peuvent être lues dans leurs roches. Cependant, l’activité géologique, notamment la tectonique des plaques, l’érosion et le métamorphisme, a détruit presque toutes les roches anciennes. Très peu de fragments ont survécu à cette machine géologique.
Néanmoins, au cours des dernières décennies, plusieurs nds importants ont été réalisés, toujours en utilisant la géochimie isotopique. Un groupe, dirigé par Stephen Moorbath, de l’université d’Oxford, a découvert dans l’ouest du Groenland des terrains vieux de 3,7 à 3,8 milliards d’années. En outre, Samuel A. Bowring, du Massachusetts Institute of Technology, a exploré une petite zone en Amérique du Nord – le gneiss d’Acasta – qui serait âgée de 3,96 milliards d’années.
En fin de compte, la quête du minéral zircon a conduit d’autres chercheurs vers des terrains encore plus anciens. Généralement présent dans les roches continentales, le zircon n’est pas dissous au cours du processus d’érosion mais se dépose sous forme de particules dans les sédiments. Quelques morceaux de zircon peuvent donc survivre pendant des milliards d’années et peuvent servir de témoin de la croûte terrestre plus ancienne. La recherche de zircons anciens a commencé à Paris avec les travaux d’Annie Vitrac et de Jol R. Lancelot, respectivement plus tard à l’Université de Marseille et maintenant à l’Université de Nmes, ainsi qu’avec les efforts de Moorbath et Allgre. C’est un groupe de l’Université nationale australienne de Canberra, dirigé par William Compston, qui a connu le succès final. L’équipe a découvert dans l’ouest de l’Australie des zircons vieux de 4,1 à 4,3 milliards d’années.
Les zircons ont été cruciaux non seulement pour comprendre l’âge des continents mais aussi pour déterminer quand la vie est apparue. Les premiers fossiles d’âge incontestable ont été découverts en Australie et en Afrique du Sud. Ces reliques d’algues bleues ont environ 3,5 milliards d’années. Manfred Schidlowski, de l’Institut Max Planck de chimie de Mayence, a étudié la formation d’Isua, dans l’ouest du Groenland, et a affirmé que la matière organique existait déjà depuis 3,8 milliards d’années. Comme la plupart des archives de la vie primitive ont été détruites par l’activité géologique, nous ne pouvons pas dire exactement quand elle est apparue – peut-être est-elle apparue très rapidement, peut-être même il y a 4,2 milliards d’années.
Histoires de gaz
L’UN DES aspects les plus importants de l’évolution de la planète est la formation de l’atmosphère, car c’est cet assemblage de gaz qui a permis à la vie de s’extirper des océans et de se maintenir. Depuis les années 1950, les chercheurs ont émis l’hypothèse que l’atmosphère terrestre a été créée par des gaz provenant de l’intérieur de la planète. Lorsqu’un volcan crache des gaz, il s’agit d’un exemple de dégazage continu, comme on l’appelle, de la Terre. Mais les scientifiques se sont demandé si ce processus s’est produit soudainement – il y a environ 4,4 milliards d’années, lorsque le noyau s’est différencié – ou s’il s’est déroulé progressivement au fil du temps.
Pour répondre à cette question, Allègre et ses collègues ont étudié les isotopes de gaz rares. Ces gaz – dont l’hélium, l’argon et le xénon – ont la particularité d’être chimiquement inertes, c’est-à-dire qu’ils ne réagissent pas dans la nature avec les autres éléments. Deux d’entre eux sont particulièrement importants pour les études atmosphériques : l’argon et le xénon. L’argon a trois isotopes, dont l’argon 40 est créé par la désintégration du potassium 40. Le xénon en compte neuf, dont le xénon 129 a deux origines différentes. Le xénon 129 est apparu à la suite de la nucléosynthèse avant la formation de la Terre et du système solaire. Il a également été créé à partir de la désintégration de l’iode radioactif 129, qui n’existe plus sur Terre. Cette forme d’iode était présente très tôt mais s’est éteinte depuis, et le xénon 129 s’est développé à ses dépens.
Comme la plupart des couples, tant l’argon 40 et le potassium 40 que le xénon 129 et l’iode 129 ont des histoires à raconter. Ils sont d’excellents chronomètres. Bien que l’atmosphère ait été formée par le dégazage du manteau, elle ne contient ni potassium 40 ni iode 129. L’argon 40 et le xénon 129, formés sur Terre et rejetés, se retrouvent tous dans l’atmosphère aujourd’hui. Le xénon a été expulsé du manteau et retenu dans l’atmosphère ; par conséquent, le rapport atmosphère-manteau de cet élément permet d’évaluer l’âge de la différenciation. L’argon et le xénon piégés dans le manteau ont évolué par la désintégration radioactive du potassium 40 et de l’iode 129. Ainsi, si le dégazage total du manteau s’est produit au début de la formation de la Terre, l’atmosphère ne contiendrait pas d’argon 40 mais contiendrait du xénon 129.
Le principal défi auquel est confronté un chercheur qui veut mesurer de tels rapports de désintégration est d’obtenir de fortes concentrations de gaz rares dans les roches du manteau car elles sont extrêmement limitées. Heureusement, un phénomène naturel se produit au niveau des dorsales médio-océaniques au cours duquel la lave volcanique transfère certains silicates du manteau vers la surface. Les petites quantités de gaz piégées dans les minéraux du manteau remontent avec la fonte vers la surface et sont concentrées dans de petites vésicules dans la marge vitreuse extérieure des oueds de lave. Ce processus sert à concentrer les quantités de gaz du manteau par un facteur de 104 ou 105. La collecte de ces roches par dragage de la mer puis leur broyage sous vide dans un spectromètre de masse sensible permet aux géochimistes de déterminer les rapports des isotopes dans le manteau. Les résultats sont assez surprenants. Les calculs des rapports indiquent qu’entre 80 et 85 % de l’atmosphère a été dégazée au cours du premier million d’années de la Terre ; le reste a été libéré lentement mais constamment au cours des 4,4 milliards d’années suivantes.
La composition de cette atmosphère primitive était très certainement dominée par le dioxyde de carbone, l’azote étant le deuxième gaz le plus abondant. Des traces de méthane, d’ammoniac, de dioxyde de soufre et d’acide chlorhydrique étaient également présentes, mais il n’y avait pas d’oxygène. À l’exception de la présence d’eau en abondance, l’atmosphère était semblable à celle de Vénus ou de Mars. Les détails de l’évolution de l’atmosphère originelle sont débattus, notamment parce que nous ne savons pas quelle était la force du soleil à cette époque. Certains faits, cependant, ne sont pas contestés. Il est évident que le dioxyde de carbone a joué un rôle crucial. En outre, de nombreux scientifiques pensent que l’atmosphère en évolution contenait des quantités suffisantes de gaz tels que l’ammoniac et le méthane pour donner naissance à la matière organique.
Pour autant, le problème du soleil reste entier. Une hypothèse veut que pendant l’éon archéen, qui a duré de 4,5 milliards à 2,5 milliards d’années environ, la puissance du soleil ne représentait que 75 % de ce qu’elle est aujourd’hui. Cette possibilité soulève un dilemme : comment la vie aurait-elle pu survivre dans le climat relativement froid qui devrait accompagner un soleil plus faible ? Une solution au paradoxe du soleil faible et précoce, comme on l’appelle, a été proposée par Carl Sagan et George Mullen de l’Université Cornell en 1970. Les deux scientifiques ont suggéré que le méthane et l’ammoniac, qui sont très efficaces pour piéger le rayonnement infrarouge, étaient assez abondants. Ces gaz auraient pu créer un effet de super-serre. L’idée a été critiquée sur la base du fait que ces gaz étaient très réactifs et avaient une courte durée de vie dans l’atmosphère.
Qu’est-ce qui a contrôlé le co?
À la fin des années 1970, Veerabhadran Ramanathan, maintenant à la Scripps Institution of Oceanography, et Robert D. Cess et Tobias Owen de l’Université Stony Brook ont proposé une autre solution. Ils ont postulé qu’il n’y avait pas besoin de méthane dans l’atmosphère primitive parce que le dioxyde de carbone était suffisamment abondant pour provoquer l’effet de super-serre. Cet argument soulève à nouveau une autre question : Quelle quantité de dioxyde de carbone y avait-il dans l’atmosphère primitive ? Le dioxyde de carbone terrestre est aujourd’hui enfoui dans des roches carbonatées, comme le calcaire, bien que l’on ne sache pas exactement quand il y est resté piégé. Aujourd’hui, le carbonate de calcium est créé principalement au cours de l’activité biologique ; à l’éon archéen, le carbone a pu être principalement éliminé au cours de réactions inorganiques.
Le dégazage rapide de la planète a libéré de volumineuses quantités d’eau du manteau, créant les océans et le cycle hydrologique. Les acides qui étaient probablement présents dans l’atmosphère ont érodé les roches, formant des roches riches en carbonates. L’importance relative d’un tel mécanisme est toutefois débattue. Heinrich D. Holland, de l’Université de Harvard, pense que la quantité de dioxyde de carbone dans l’atmosphère a rapidement diminué au cours de l’Archéen et est restée à un faible niveau.
Comprendre la teneur en dioxyde de carbone de l’atmosphère primitive est essentiel pour comprendre le contrôle climatique. Deux camps contradictoires ont émis des idées sur le fonctionnement de ce processus. Le premier groupe soutient que les températures mondiales et le dioxyde de carbone ont été contrôlés par des rétroactions géochimiques inorganiques ; le second affirme qu’ils ont été contrôlés par une élimination biologique.
James C. G. Walker, James F. Kasting et Paul B. Hays, alors à l’Université du Michigan à Ann Arbor, ont proposé le modèle inorganique en 1981. Ils ont postulé que les niveaux de gaz étaient élevés au début de l’Archéen et n’ont pas chuté précipitamment. Le trio a suggéré qu’à mesure que le climat se réchauffait, davantage d’eau s’évaporait et le cycle hydrologique devenait plus vigoureux, augmentant les précipitations et le ruissellement. Le dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère s’est mélangé à l’eau de pluie pour créer un ruissellement d’acide carbonique, exposant les minéraux de la surface aux intempéries. Les minéraux silicatés se sont combinés au carbone présent dans l’atmosphère, le séquestrant dans les roches sédimentaires. Moins de dioxyde de carbone dans l’atmosphère signifie, à son tour, moins d’effet de serre. Le processus de rétroaction négative inorganique a compensé l’augmentation de l’énergie solaire.
Cette solution contraste avec un deuxième paradigme : l’élimination biologique. Une théorie avancée par James E. Lovelock, à l’origine de l’hypothèse Gaia, supposait que les micro-organismes photosynthétiques, tels que le phytoplancton, seraient très productifs dans un environnement à forte teneur en dioxyde de carbone. Ces créatures éliminaient lentement le dioxyde de carbone de l’air et des océans, le transformant en sédiments de carbonate de calcium. Les critiques ont rétorqué que le phytoplancton n’avait même pas évolué pendant la majeure partie de l’ère de la vie sur Terre. (L’hypothèse Gaïa soutient que la vie sur Terre a la capacité de réguler la température et la composition de la surface de la Terre et de la maintenir confortable pour les organismes vivants.)
Au début des années 1990, Tyler Volk de l’Université de New York et David W. Schwartzman de l’Université Howard ont proposé une autre solution gaïenne. Ils ont remarqué que les bactéries augmentent la teneur en dioxyde de carbone dans les sols en décomposant la matière organique et en générant des acides humiques. Ces deux activités accélèrent l’altération des sols et éliminent le dioxyde de carbone de l’atmosphère. Sur ce point, cependant, la controverse devient aiguë. Certains géochimistes, dont Kasting, actuellement à l’université d’État de Pennsylvanie, et Holland, postulent que si la vie peut expliquer une certaine élimination du dioxyde de carbone après l’Archéen, les processus géochimiques inorganiques peuvent expliquer la majeure partie de la séquestration. Ces chercheurs considèrent la vie comme un mécanisme de stabilisation climatique plutôt faible pour la majeure partie des temps géologiques.
Oxygène provenant des algues
LA QUESTION DU CARBONE reste critique pour savoir comment la vie a influencé l’atmosphère. L’enfouissement du carbone est une clé du processus vital d’accumulation des concentrations d’oxygène atmosphérique – une condition préalable au développement de certaines formes de vie. En outre, le réchauffement de la planète se produit actuellement en raison de la libération de ce carbone par les humains. Pendant un ou deux milliards d’années, les algues des océans ont produit de l’oxygène. Mais comme ce gaz est très réactif et qu’il y avait beaucoup de minéraux réduits dans les anciens océans – le fer, par exemple, est facilement oxydé – une grande partie de l’oxygène produit par les êtres vivants a simplement été consommé avant de pouvoir atteindre l’atmosphère, où il aurait rencontré des gaz qui auraient réagi avec lui.
Même si les processus évolutifs avaient donné naissance à des formes de vie plus compliquées pendant cette ère anaérobie, elles n’auraient pas eu d’oxygène. De plus, les rayons ultraviolets non altérés du soleil les auraient probablement tuées si elles avaient quitté l’océan. Des chercheurs comme Walker et Preston Cloud, alors à l’Université de Californie à Santa Barbara, ont suggéré qu’il y a seulement deux milliards d’années environ, après que la plupart des minéraux réduits de la mer aient été oxydés, l’oxygène atmosphérique s’est accumulé. Entre un milliard et deux milliards d’années, l’oxygène a atteint les niveaux actuels, créant une niche pour la vie évolutive.
En examinant la stabilité de certains minéraux, comme l’oxyde de fer ou l’oxyde d’uranium, Holland a montré que la teneur en oxygène de l’atmosphère archéenne était faible avant deux milliards d’années. Il est largement admis que la teneur actuelle en oxygène de 20 % est le résultat de l’activité photosynthétique. La question est toutefois de savoir si la teneur en oxygène de l’atmosphère a augmenté progressivement au fil du temps ou si elle a augmenté soudainement. Des études récentes indiquent que l’augmentation de l’oxygène a commencé brusquement entre 2,1 milliards et 2,03 milliards d’années et que la situation actuelle a été atteinte il y a 1,5 milliard d’années.
La présence d’oxygène dans l’atmosphère présentait un autre avantage majeur pour un organisme essayant de vivre à la surface ou au-dessus de la surface : elle filtrait le rayonnement ultraviolet. Le rayonnement ultraviolet décompose de nombreuses molécules – de l’ADN et de l’oxygène aux chlorouorocarbones qui sont impliqués dans l’appauvrissement de l’ozone stratosphérique. Cette énergie divise l’oxygène en une forme atomique hautement instable, O, qui peut se combiner à nouveau en O2 et en une molécule très particulière, O3, ou ozone. L’ozone, à son tour, absorbe les rayons ultraviolets. Ce n’est que lorsque l’oxygène a été suffisamment abondant dans l’atmosphère pour permettre la formation d’ozone que la vie a eu une chance de prendre racine ou de s’implanter sur terre. Ce n’est pas une coïncidence si l’évolution rapide de la vie, des procaryotes (organismes unicellulaires sans noyau) aux eucaryotes (organismes unicellulaires avec un noyau) et aux métazoaires (organismes multicellulaires), s’est déroulée pendant l’ère de l’oxygène et de l’ozone, qui a duré un milliard d’années.
Bien que l’atmosphère ait atteint un niveau d’oxygène assez stable pendant cette période, le climat n’était guère uniforme. Il y a eu de longues phases de chaleur ou de fraîcheur relative pendant la transition vers les temps géologiques modernes. La composition des coquilles de plancton fossile qui vivaient près de la côte océanique permet de mesurer la température des eaux de fond. Les archives suggèrent qu’au cours des 100 derniers millions d’années, les eaux de fond se sont refroidies de près de 15 degrés Celsius. Le niveau des mers a baissé de plusieurs centaines de mètres et les continents se sont séparés. Les mers intérieures ont pour la plupart disparu et le climat s’est refroidi de 10 à 15 degrés Celsius en moyenne. Il y a environ 20 millions d’années, de la glace permanente semble s’être formée sur l’Antarctique.
Il y a environ deux à trois millions d’années, les archives paléoclimatiques commencent à montrer des expansions et des contractions significatives des périodes chaudes et froides selon des cycles d’environ 40 000 ans. Cette périodicité est intéressante car elle correspond au temps qu’il faut à la Terre pour accomplir une oscillation de l’inclinaison de son axe de rotation. On a longtemps spéculé, et récemment calculé, que les changements connus de la géométrie orbitale pourraient modifier la quantité de lumière solaire entrant entre l’hiver et l’été d’environ 10 pour cent et pourraient être responsables du déclenchement ou de la fin des périodes glaciaires.
La main chaude de l’homme
Plus intéressante et perplexe est la découverte qu’entre 600 000 et 800 000 ans, le cycle dominant est passé de périodes de 40 000 ans à des intervalles de 100 000 ans avec de très grandes uctuations. La dernière grande phase de glaciation s’est terminée il y a environ 10 000 ans. À son apogée, il y a 20 000 ans, des couches de glace d’environ deux kilomètres d’épaisseur couvraient une grande partie de l’Europe du Nord et de l’Amérique du Nord. Les glaciers s’étendaient sur les hauts plateaux et les montagnes du monde entier. La quantité de glace emprisonnée sur la terre ferme était suffisante pour faire baisser le niveau des mers de plus de 100 mètres par rapport à ce qu’il est aujourd’hui. Des nappes glaciaires massives ont affouillé les terres et remodelé la face écologique de la Terre, qui était en moyenne plus froide de cinq degrés Celsius qu’actuellement.
Les causes précises des intervalles plus longs entre les périodes chaudes et froides ne sont pas encore élucidées. Les éruptions volcaniques peuvent avoir joué un rôle important, comme le montrent les effets d’El Chichón au Mexique et du mont Pinatubo aux Philippines. Les événements tectoniques, tels que le développement de l’Himalaya, peuvent avoir influencé le climat mondial. Même l’impact des comètes peut influencer les tendances climatiques à court terme avec des conséquences catastrophiques pour la vie. Il est remarquable qu’en dépit de perturbations violentes et épisodiques, le climat ait été suffisamment protégé pour maintenir la vie pendant 3,5 milliards d’années.
L’une des découvertes climatiques les plus importantes de ces 30 dernières années provient des carottes de glace du Groenland et de l’Antarctique. Lorsque la neige tombe sur ces continents gelés, l’air entre les grains de neige est piégé sous forme de bulles. La neige est progressivement comprimée en glace, avec les gaz qu’elle contient. Certains de ces enregistrements peuvent remonter à plus de 500 000 ans ; les scientifiques peuvent analyser le contenu chimique de la glace et des bulles à partir de sections de glace situées jusqu’à 3 600 mètres (2,2 miles) sous la surface.
Les carottiers de glace ont déterminé que l’air respiré par les anciens Égyptiens et les Indiens Anasazi était très similaire à celui que nous inhalons aujourd’hui – à l’exception d’une foule de polluants atmosphériques introduits au cours des 100 ou 200 dernières années. Parmi ces gaz ou polluants ajoutés, les principaux sont le dioxyde de carbone et le méthane. Depuis 1860 environ, date de l’expansion de la révolution industrielle, les niveaux de dioxyde de carbone dans l’atmosphère ont augmenté de plus de 30 % en raison de l’industrialisation et de la déforestation ; les niveaux de méthane ont plus que doublé en raison de l’agriculture, de l’utilisation des terres et de la production d’énergie. La capacité des quantités accrues de ces gaz à piéger la chaleur est à l’origine des préoccupations concernant le changement climatique au XXIe siècle.
Les carottes glaciaires ont montré que les taux naturels soutenus de changement de la température mondiale sont généralement d’environ un degré C par millénaire. Ces changements sont suffisamment importants pour avoir radicalement modifié le lieu de vie des espèces et avoir potentiellement contribué à l’extinction de mégafaunes charismatiques telles que les mammouths et les tigres à dents de sabre. Mais l’histoire la plus extraordinaire que révèlent les carottes glaciaires n’est pas la stabilité relative du climat au cours des 10 000 dernières années. Il semble qu’au plus fort de la dernière période glaciaire, il y a 20 000 ans, il y avait 50 % de moins de dioxyde de carbone et moins de la moitié de méthane dans l’air que pendant notre époque, l’Holocène. Cette constatation suggère une rétroaction positive entre le dioxyde de carbone, le méthane et le changement climatique.
Le raisonnement qui soutient l’idée de ce système de rétroaction déstabilisant est le suivant. Lorsque le monde était plus froid, il y avait moins de concentration de gaz à effet de serre, et donc moins de chaleur était piégée. Lorsque la Terre s’est réchauffée, les niveaux de dioxyde de carbone et de méthane ont augmenté, accélérant le réchauffement. Si la vie a joué un rôle dans cette histoire, c’est pour favoriser le changement climatique plutôt que pour s’y opposer. Il semble de plus en plus probable que lorsque l’homme s’est intégré à ce cycle, il a lui aussi contribué à accélérer le réchauffement. Ce réchauffement a été particulièrement prononcé depuis le milieu du XIXe siècle en raison des émissions de gaz à effet de serre dues à l’industrialisation, aux changements d’affectation des terres et à d’autres phénomènes. Une fois encore, cependant, des incertitudes subsistent.
Néanmoins, la plupart des scientifiques s’accordent à dire que la vie pourrait bien être le principal facteur de la rétroaction positive entre les changements climatiques et les gaz à effet de serre. Une augmentation rapide de la température moyenne à la surface du globe a eu lieu à la fin du 20e siècle. En effet, la période à partir des années 1980 a été la plus chaude des 2 000 dernières années. Dix-neuf des vingt années les plus chaudes enregistrées sont survenues depuis 1980, et les douze années les plus chaudes ont toutes eu lieu depuis 1990. L’année la plus chaude de tous les temps a été 1998, et 2002 et 2003 se sont classées respectivement en deuxième et troisième position. Il y a de bonnes raisons de croire que la décennie des années 1990 aurait été encore plus chaude sans l’éruption du Mont Pinatubo : ce volcan a mis suffisamment de poussière dans la haute atmosphère pour bloquer une partie de la lumière solaire incidente, provoquant un refroidissement global de quelques dixièmes de degré pendant plusieurs années.
Le réchauffement des 140 dernières années aurait-il pu se produire naturellement ? Avec une certitude de plus en plus grande, la réponse est non.
L’encadré de droite montre une étude remarquable qui a tenté de repousser de 1000 ans le record de température de l’hémisphère nord. Le climatologue Michael Mann de l’Université de Virginie et ses collègues ont effectué une analyse statistique complexe impliquant quelque 112 facteurs différents liés à la température, notamment les cernes des arbres, l’étendue des glaciers de montagne, les changements dans les récifs coralliens, l’activité des taches solaires et le volcanisme.
L’enregistrement des températures qui en résulte est une reconstruction de ce qui aurait pu être obtenu si des mesures basées sur des thermomètres avaient été disponibles. (Les mesures réelles de la température sont utilisées pour les années postérieures à 1860.) Comme le montre l’intervalle de confiance, il existe une incertitude considérable pour chaque année de cette reconstruction de la température sur 1 000 ans. Mais la tendance générale est claire : une diminution progressive de la température au cours des 900 premières années, suivie d’une forte remontée de la température au XXe siècle. Ce graphique suggère que la décennie des années 1990 a été non seulement la plus chaude du siècle, mais aussi de tout le dernier millénaire.
En étudiant la transition entre l’atmosphère à forte teneur en dioxyde de carbone et à faible teneur en oxygène de l’Archéen et l’ère des grands progrès de l’évolution, il y a environ un demi-milliard d’années, il devient clair que la vie a pu être un facteur de stabilisation du climat. Dans un autre exemple – pendant les périodes glaciaires et les cycles interglaciaires – la vie semble avoir eu la fonction inverse : accélérer le changement plutôt que le diminuer. Cette observation a conduit l’un d’entre nous (Schneider) à soutenir que le climat et la vie ont coévolué plutôt que la vie ne serve uniquement de rétroaction négative sur le climat.
Si nous, les humains, considérons que nous faisons partie de la vie – c’est-à-dire du système naturel – alors on pourrait soutenir que notre impact collectif sur la Terre signifie que nous pouvons avoir un rôle coévolutif important dans l’avenir de la planète. Les tendances actuelles de croissance démographique, les demandes d’augmentation du niveau de vie et l’utilisation de la technologie et des organisations pour atteindre ces objectifs de croissance contribuent toutes à la pollution. Lorsque le prix de la pollution est faible et que l’atmosphère est utilisée comme un égout gratuit, le dioxyde de carbone, le méthane, les chlorouorocarbones, les oxydes nitreux, les oxydes de soufre et d’autres produits toxiques peuvent s’accumuler.
Des changements drastiques en perspective
Dans leur rapport Changement climatique 2001, les experts climatiques du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat ont estimé que le monde se réchauffera entre 1,4 et 5,8 degrés C d’ici 2100. La limite inférieure de cette fourchette – un taux de réchauffement de 1,4 degré C par 100 ans – est encore 14 fois plus rapide que le taux moyen de changement naturel à l’échelle mondiale, qui est de 1 degré C par 1 000 ans. Si l’extrémité supérieure de la fourchette se produit, nous pourrions voir des taux de changement climatique près de 60 fois plus rapides que les conditions naturelles moyennes, ce qui pourrait entraîner des changements que beaucoup considéreraient comme dangereux. Un changement à ce rythme forcerait presque certainement de nombreuses espèces à tenter de déplacer leurs aires de répartition, comme elles l’ont fait lors de la transition glaciaire/interglaciaire entre 10 000 et 15 000 ans. Non seulement les espèces devraient réagir aux changements climatiques à un rythme 14 à 60 fois plus rapide, mais peu d’entre elles disposeraient de voies de migration ouvertes et non perturbées, comme c’était le cas à la fin de la période glaciaire et au début de l’ère interglaciaire. Les effets négatifs de ce réchauffement important – sur la santé, l’agriculture, la géographie côtière et les sites patrimoniaux, pour n’en citer que quelques-uns – pourraient également être graves.
Pour faire les projections critiques des changements climatiques futurs nécessaires pour comprendre le sort des écosystèmes sur Terre, nous devons creuser à travers la terre, la mer et la glace pour apprendre le plus possible des enregistrements géologiques, paléoclimatiques et paléoécologiques. Ces données constituent la toile de fond à partir de laquelle nous pouvons calibrer les instruments rudimentaires que nous devons utiliser pour scruter l’avenir sombre de l’environnement, un avenir que nous influençons de plus en plus.
Les auteurs
CLAUDE J. ALLGRE et STEPHEN H. SCHNEIDER étudient divers aspects de l’histoire géologique de la Terre et de son climat. Allgre est professeur à l’Université de Paris et dirige le département de géochimie de l’Institut de Géophysique de Paris. Il est membre étranger de l’Académie nationale des sciences. Schneider est professeur au département des sciences biologiques de l’université de Stanford et codirecteur du Center for Environmental Science and Policy. Il a été honoré par une bourse du prix MacArthur en 1992 et a été élu membre de l’Académie nationale des sciences en 2002.