La Terre s’est refroidie pendant 60 millions d’années sans que personne sache où était passé le CO₂ — maintenant on le sait

Pendant 60 millions d’années, l’atmosphère terrestre a perdu du dioxyde de carbone et la planète s’est refroidie. Les scientifiques le savaient. Ce qu’ils ne pouvaient expliquer, c’était où ce CO₂ était passé. ‘Nous avions très peu compris où ce carbone avait fini par se retrouver’, a déclaré Ros Rickaby de l’Université d’Oxford, auteur principal de la nouvelle étude. La réponse, que l’équipe a découverte, se trouvait enfouie sous les fonds marins — le résultat d’une chaîne de réactions chimiques océaniques fonctionnant avec le niveau de la mer et le recyclage du phosphore, agissant comme un thermostat planétaire lent tout au long de l’ère Cénzoïque.

L’étude, publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, a reconstitué 60 millions d’années de preuves géologiques : anciens niveaux des mers, concentrations en oxygène des océans, disponibilité des phosphates et taux d’enfouissement du carbone organique dans les sédiments des plateaux continentaux. Ce qui est apparu fut une boucle de rétroaction inédite reliant quatre systèmes étudiés séparément mais jamais assemblés en un mécanisme unique.

Comment fonctionne cette chaîne

Le thermostat commence par le niveau de la mer. Lorsque les océans étaient environ 10 à 40 mètres au-dessus de leur niveau actuel — la fourchette que l’équipe identifie comme le ‘point optimal’ du système —, quelque chose de particulier se produit sur les plateaux continentaux. Les concentrations en oxygène dans ces eaux peu profondes chutent sous un seuil critique lorsque la matière organique se décompose, créant des zones d’eau appauvrie en oxygène précisément là où les sédiments riches en carbone sont le plus exposés.

Ces conditions pauvres en oxygène ont un effet spécifique sur le phosphore. Le phosphate se lie normalement aux particules de sédiment en présence d’oxygène ; sans oxygène, il est libéré dans la colonne d’eau. Ce phosphore recyclé alimente une prolifération d’algues marines et autres planctons, dont la croissance extrait le carbone des eaux de surface. Lorsque ces organismes meurent et coulent, ils emportent ce carbone avec eux. Sur les fonds marins, sous les conditions pauvres en oxygène qui ont déclenché la libération du phosphore, le carbone organique est enfoui plutôt que décomposé — et y reste pendant des millions d’années.

Le résultat est une boucle auto-entretenue : le niveau de la mer initie le processus, l’oxygène faible libère le phosphore, le phosphore stimule la productivité marine, celle-ci enfouit le carbone, le carbone enfoui réduit le CO₂ atmosphérique. Ce cycle dure tant que les conditions de niveau de la mer appropriées persistent — et peut se poursuivre pendant des millions d’années avant que le système ne se rééquilibre.

‘Notre coauteur Christian Bjerrum a étudié il y a deux décennies la relation entre le niveau de la mer, l’oxygène océanique et les phosphates avec un modèle informatique’, a déclaré Zunli Lu de l’Université de Syracuse. ‘Nous avons enfin rassemblé les enregistrements géologiques nécessaires pour tester cette hypothèse.’

Quand le thermostat s’est arrêté

Les données de l’équipe montrent que ce mécanisme n’a pas fonctionné en continu. Pendant l’époque de l’Éocène, entre environ 56 et 34 millions d’années avant notre ère, les niveaux des mers sont montés suffisamment haut pour dépasser le point optimal. Lorsque cela s’est produit, les zones minimales d’oxygène n’ont plus recouvert les sédiments riches en matière organique des plateaux continentaux — les deux conditions nécessaires au fonctionnement de la rétroaction. Le cycle d’enfouissement du carbone s’est affaibli. Le CO₂ est resté dans l’atmosphère plutôt que d’être absorbé. L’Éocène fut, selon les normes géologiques, une période chaude : assez chaude pour que des forêts tropicales poussent là où se trouve aujourd’hui le Wyoming et que des crocodiliens vivent au-dessus du cercle polaire arctique.

Le retour de ce mécanisme — lié aux variations du niveau de la mer associées à la glaciation antarctique — a coïncidé avec le refroidissement soutenu qui caractérise les 34 derniers millions d’années de l’histoire de la Terre.

‘Nos résultats suggèrent que l’enfouissement accru de carbone organique dans les sédiments marins a joué un rôle bien plus important qu’on ne l’avait estimé auparavant’, a déclaré Rickaby.

Ce que ce mécanisme ne peut pas faire

Le thermostat fonctionne sur des échelles de temps de millions d’années. Chaque cycle — du déclenchement par le niveau de la mer à la libération du phosphore en passant par l’enfouissement du carbone et la réduction mesurable du CO₂ atmosphérique — prend des centaines de milliers d’années à s’accomplir. Le CO₂ que l’humanité a ajouté à l’atmosphère depuis l’industrialisation s’est accumulé sur environ 200 ans. Le mécanisme géologique ne peut pas répondre à cette vitesse.

Il y a aussi un décalage structurel : les zones actuelles de minimum d’oxygène sont plus profondes qu’elles ne l’étaient lors du fonctionnement optimal au Cénzoïque. Les plateaux continentaux modernes sont plus étroits et leurs marges pauvres en oxygène sont moins bien positionnées pour interagir avec les sédiments riches en matière organique. Les conditions qui ont rendu le thermostat efficace pendant 60 millions d’années ne sont pas actuellement alignées.

Les chercheurs sont explicites sur cette limite. Le système a stabilisé un climat ayant eu des milliers d’années pour s’ajuster ; il n’a pas été conçu — et ne peut fonctionner — comme un puits de carbone rapide.

Questions fréquentes sur le thermostat à CO₂ de la Terre

Qu’est-ce qu’une zone de minimum d’oxygène ? Il s’agit d’une couche d’eau océanique, généralement entre 100 et 1 000 mètres de profondeur, où la concentration en oxygène dissous chute brutalement. La vie marine décomposant la matière organique consomme la plupart de l’oxygène disponible avant que la circulation de l’eau ne puisse le renouveler. Dans ces zones, les réactions chimiques normales changent : le phosphore qui resterait normalement lié aux sédiments est libéré dans l’eau.

En quoi cela diffère-t-il de l’océan absorbant directement le CO₂ ? L’absorption directe par l’océan dissout le CO₂ en surface et le maintient en solution — elle ne retire pas le carbone de manière permanente et est réversible lorsque les températures océaniques changent. Le mécanisme décrit dans cette étude enfouit physiquement le carbone organique dans les sédiments marins, le bloquant hors de l’atmosphère pendant des échelles de temps géologiques plutôt qu’humaines.

Ce processus a-t-il déjà échoué ? L’exemple de l’Éocène montre qu’il peut s’affaiblir. Lorsque le niveau de la mer est trop élevé — au-dessus du point optimal —, la boucle de rétroaction se brise parce que les zones de minimum d’oxygène n’atteignent plus les dépôts sédimentaires les plus riches. Le CO₂ reste élevé. La planète se réchauffe. Le mécanisme ne redémarre que lorsque le niveau de la mer revient à une plage appropriée.

Ce processus pourrait-il être déclenché artificiellement ? L’étude n’aborde pas la géoingénierie. La rétroaction dépend du niveau de la mer, de la position des zones de minimum d’oxygène et de la distribution des sédiments des plateaux continentaux — des variables qui opèrent à des échelles que aucune technologie humaine ne contrôle actuellement.

Ce qui vient ensuite

La recherche ouvre une voie directe d’investigation sur l’un des plus vieux mystères de la paléoclimatologie : pourquoi le retrait du carbone terrestre au cours du Cénzoïque n’a pas été uniforme. Les archives géologiques montrent des pulsations de refroidissement séparées par des périodes plus chaudes — un schéma que le modèle du thermostat explique maintenant en termes de niveaux de mer changeants faisant entrer et sortir le système de sa plage efficace.

Pour la science climatique actuelle, cette découverte ajoute aussi de la précision à ce qui distingue les périodes chaudes passées de la période actuelle. L’Éocène était chaud parce que le thermostat était désactivé. Le réchauffement actuel se produit malgré le fait que le thermostat soit dans sa plage structurelle — parce que le rythme d’ajout du CO₂ a simplement dépassé toute réponse géologique.

Référence : Rickaby et al., ‘Les eaux pauvres en oxygène envahissant les plateaux contrôlent les taux d’enfouissement du carbone organique au Cénzoïque’, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026. DOI: 10.1073/pnas.2526409123

Étiquettes: climate, carbon burial, Cenozoic era, ocean chemistry, phosphorus, PNAS