Climat: regarder dans le passé pour mieux comprendre l'avenir

Des scientifiques de l'ETH Zürich utilisent des minéraux provenant de sols anciens pour reconstituer le climat qui régnait sur Terre il y a environ 55 millions d'années. Les résultats aident à mieux évaluer notre futur climat.
Un site prometteur en Argentine pour la recherche de sidérites . (Toutes les photos : Joep van Dijk / ETH Zurich / de van Dijk J, et al, Nat. Geosc., 2020)

Il y a entre 57 et 55 millions d'années, le Paléocène s'est terminé et l'Éocène a commencé. À cette époque, l'atmosphère était pratiquement inondée de dioxyde de carbone: sa concentration était entre 1400 ppm et 4000 ppm. Il est facile d'imaginer que la Terre a dû avoir des températures comme celles d'un sauna. Il faisait chaud et humide, et la glace sur les calottes polaires avait complètement disparu.

Le climat de cette époque est intéressant pour les scientifiques qui veulent estimer comment le climat actuel pourrait évoluer. La teneur actuelle en CO2 de l'atmosphère est de 412 ppm, contre 280 ppm à l'époque préindustrielle. Les climatologues pensent qu'elle pourrait atteindre 1000 ppm d'ici la fin du siècle en raison des émissions de CO2 par les êtres humains.

Un groupe de scientifiques de l'ETH Zurich, de la Pennsylvania State University et du CASP à Cambridge (Royaume-Uni) a reconstitué le climat qui prévalait à la fin du Paléocène et au début de l'Éocène en utilisant de minuscules minéraux provenant d'anciens sols marécageux. L'étude vient d'être publiée dans la revue «Nature Geoscience».

Ce que disent les minéraux sur le climat

Les minéraux sont de la sidérite. Ils se sont formés dans des sols dépourvus d'oxygène, qui se sont développés sous une couverture végétale dense dans les marécages. Les marécages étaient très répandus le long des côtes chaudes et humides au Paléocène et à l'Éocène.

La sidérite est un carbonate de fer et se compose d'un atome de fer, d'un atome de carbone et de trois atomes d'oxygène (FeCO3). Pendant la croissance des cristaux de sidérite, différents isotopes de carbone et d'oxygène sont incorporés dans le réseau cristallin en fonction de la température du sol. Les cristaux en croissance stockent également des informations sur l'humidité de l'air, puisque les isotopes d'oxygène proviennent de l'eau qui a pénétré dans le sol par la pluie. Ainsi, les cristaux stockent des informations sur le climat de l'époque à laquelle ils ont grandi. Les chercheurs peuvent extraire ces informations en déterminant la composition isotopique des cristaux en laboratoire. Ces informations permettent de tirer des conclusions sur la teneur en humidité de l'atmosphère et les températures de l'air.

Pour retracer les conditions climatiques de l'équateur jusqu'aux régions polaires, les chercheurs ont étudié les sidérites de 13 sites différents. Les sites sont tous situés dans l'hémisphère nord et couvrent toutes les latitudes géographiques, des tropiques à l'Arctique.

Un monde chaud et humide

«La reconstruction du climat à l'aide de la sidérite montre qu'un monde chaud est aussi un monde humide», dit le premier auteur Joep van Dijk, qui a fait son doctorat de 2015 à 2018 à l'Institut de géologie de l'ETH Zurich sous la direction du professeur Stefano Bernasconi.

Ainsi, il y a 57 à 55 millions d'années, la température annuelle moyenne de l'air à l'équateur dans la Colombie actuelle était d'environ 41°C. En Sibérie arctique, la température moyenne en été était de 23°C.

En utilisant leur «hygromètre» en sidérite, les chercheurs ont également montré que la teneur globale en humidité de l'atmosphère, ou l'humidité spécifique, était beaucoup plus élevée au Paléocène et à l'Éocène qu'elle ne l'est aujourd'hui. La vapeur d'eau est également restée plus longtemps dans l'air car l'humidité spécifique a augmenté plus que l'évaporation et les précipitations. Cependant, l'augmentation de l'humidité spécifique n'a pas été la même partout.

Grâce au fait que les chercheurs disposaient de sidérite provenant de toutes les latitudes, ils ont également pu étudier la répartition de l'humidité spécifique : les tropiques et les hautes latitudes avaient alors un taux d'humidité très élevé.

Pôles subtropicaux chauffés à la vapeur

Les chercheurs attribuent cela au fait que la vapeur d'eau a été transportée des régions subtropicales vers ces zones. Dans les régions subtropicales, c'est l'humidité spécifique qui a le moins augmenté. L'évaporation a augmenté et les précipitations ont diminué. Il en résultait davantage de vapeur d'eau, qui finissait par atteindre les pôles et l'équateur. Et avec la vapeur, la chaleur était également transportée.

Aujourd'hui encore, les chercheurs en climatologie observent que la vapeur d'eau et la chaleur circulent des régions subtropicales vers les tropiques. "Ce transport a peut-être été encore plus fort à l'Eocène", dit Joep van Dijk. "Et l'augmentation du transport de la chaleur vers les hautes latitudes peut en effet avoir contribué à l'augmentation du réchauffement dans les régions polaires".

La capacité d'adaptation surchargée

Ces nouveaux résultats indiquent que le transport de l'humidité dans l'atmosphère, et donc le transport de la chaleur, augmente en raison du réchauffement climatique actuel. "Le transport de l'humidité est un processus important qui augmente le réchauffement des régions polaires", explique Joep van Dijk.

 "Bien que la teneur en CO2 de l'atmosphère ait été beaucoup plus élevée à l'époque qu'aujourd'hui, l'augmentation de ces valeurs s'est faite sur des millions d'années", souligne-t-il. "Cela contraste avec la situation actuelle, où l'humanité a plus que doublé la teneur en CO2 en seulement 200 ans depuis l'industrialisation." Les animaux et les plantes avaient alors beaucoup plus de temps pour s'adapter aux conditions climatiques changeantes. "Cela n'est tout simplement pas possible avec le développement rapide actuel", souligne le chercheur.

Recherche difficile des cristaux de sidérite

Les sidérites n'étaient pas faciles à trouver. D'une part, les minéraux sont minuscules, d'autre part, ils ne se trouvent que dans les sols marécageux fossiles, et ceux-ci ne se trouvent aujourd'hui en partie qu'à plusieurs kilomètres sous la surface de la terre. Il était donc difficile, voire impossible, pour les chercheurs de fouiller les sidérites eux-mêmes. "Nous avons entrepris plusieurs expéditions pour trouver des sites, mais nous n'avons pu trouver de la sidérite que dans un seul cas", explique Joep van Dijk.

Cependant, les chercheurs ont pu s'appuyer sur la collection du co-auteur Tim White pour leurs investigations. L'Américain de l'Université d'État de Pennsylvanie possède la plus grande collection de sidérites au monde.

Référence

Van Dijk J, Alvarez F, Bernasconi SM, et al.: Spatial pattern of super-​greenhouse warmth controlled by elevated specific humidity. Nature Geoscience, published online on 26 October 2020. DOI: 10.1038/s41561-​020-00648-2