Une étude menée par des chercheurs de l'Université de Chicago, de l'Université Rice et du California Institute of Technology jette un nouvel éclairage sur l'équilibre délicat des cycles biogéochimiques qui maintiennent la Terre tempérée, hydratée et prospère.

Le cycle des éléments entre les océans, l’atmosphère et la terre joue un rôle dans le maintien de la stabilité climatique, mais il est si complexe que les scientifiques isolent généralement des morceaux de l’ensemble pour tenter de mieux comprendre leur fonctionnement. Cependant, une nouvelle étude, publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences le 13 mars, propose une approche différente.

Les chercheurs proposent plutôt un point de vue large et simplifié, en utilisant un nouvel ensemble d'outils mathématiques pour éclairer les relations entre les différents cycles chimiques qui étaient auparavant difficiles à repérer.

"Notre approche fournit une nouvelle façon d'identifier les éléments fondamentaux de la stabilité des composants chimiques du climat terrestre - les moyens sous-jacents par lesquels le climat peut être stabilisé au cours des temps géologiques en raison du mouvement des éléments à travers l'océan, l'atmosphère et la roche. réservoirs", a déclaré Preston Cosslett Kemeny, chercheur postdoctoral à UChicago TC Chamberlain et premier auteur de l'article.

"Il s'agit d'une manière élégante et simplifiée de réfléchir à un problème énorme, qui organise de nombreuses recherches antérieures sur les cycles élémentaires en paquets de réactions chimiques qui peuvent être équilibrées et comprises", a déclaré UChicago Asst. Professeur Clara Blättler, auteur principal de l'article.

Cycles et climat

Nous tenons souvent pour acquis que la planète Terre abrite une vie complexe depuis des centaines de millions d’années. Mais cette stabilité n’était certainement pas garantie :il suffit de regarder à côté Mars et Vénus, qui se sont formées à peu près à partir des mêmes matériaux que la Terre, mais qui ne supportent même pas actuellement d’eau liquide. Quel est le secret de la Terre ?

Un aspect clé est le cycle chimique. Des éléments comme le carbone, le soufre et le calcium se déplacent entre la terre, l'océan et l'atmosphère de manière à maintenir les conditions à la surface de la Terre relativement stables pendant des centaines de millions d'années.

Par exemple, les scientifiques pensent que les températures de la planète sont en partie maintenues par le déplacement progressif du carbone entre l'océan, l'atmosphère et la terre. Lorsque le dioxyde de carbone s’accumule dans l’atmosphère et réchauffe la surface, il provoque une décomposition plus rapide des roches, déplaçant ainsi le carbone dans l’océan, puis dans les roches du fond marin. Au fil des millions d'années, la planète se refroidit progressivement à mesure que le carbone est aspiré hors de l'atmosphère.

Démêler ces cycles a été le travail de plusieurs décennies. C'est un défi car les cycles durent des millions d'années, changent sans cesse, se déroulent sur la planète entière et interagissent constamment les uns avec les autres. C'est si complexe que les scientifiques n'examinent souvent que des fragments de l'ensemble, en considérant généralement un nombre limité de cycles d'éléments ou un petit sous-ensemble de leurs interactions. Mais lorsque des pièces du puzzle manquent, les chercheurs doivent formuler des hypothèses pour combler les lacunes.

Kemeny se demandait si travailler de cette façon pourrait avoir tendance à obscurcir l'image globale de la façon dont les interactions biogéochimiques donnent naissance à la stabilité planétaire.

Lui, ainsi que Blättler, Mark Torres de l'Université Rice et Woodward Fischer de Caltech, ont pris du recul. Ils ont effectué une analyse mathématique dans laquelle ils ont considéré un large éventail de réactions chimiques comprenant des cycles chimiques majeurs, mais n'ont pas précisé comment ni dans quelle mesure les cycles interagissaient les uns avec les autres.

Le résultat est un cadre qui identifie toutes les combinaisons majeures et mineures de réactions qui équilibrent le cycle du carbone sur Terre et leurs relations les unes avec les autres – quelque chose qui manquait dans le domaine. Vu de cette façon, le climat de la Terre peut être représenté par un ensemble d'équations chimiques interconnectées qui doivent s'équilibrer sur certaines périodes de temps.

Les auteurs ont déclaré que leurs travaux étaient utiles alors que les scientifiques continuent d'étudier l'histoire de la Terre et l'évolution du climat au fil du temps.

"Par exemple, disons que vous envisagez une hypothèse expliquant pourquoi le climat a changé dans le passé, comme le refroidissement majeur des 65 derniers millions d'années", a déclaré Kemeny. "Vous pouvez prendre ce cadre et l'utiliser pour dire, eh bien, si le processus X a augmenté ou diminué, alors il aurait également dû provoquer la réalisation de Y, ou aurait dû être équilibré par Z, et que vous devez tenir compte de ces résultats... Ainsi, avec cette prédiction, nous pouvons rechercher des preuves du fonctionnement conjoint de l'ensemble du système géochimique. "

D'autres relations entre les cycles chimiques peuvent devenir visibles lorsqu'on les regarde à vol d'oiseau. "Par exemple, cette analyse a identifié une nouvelle façon d'équilibrer les flux de carbone dans le système océan-atmosphère tout en accumulant l'oxygène dans l'atmosphère", a déclaré Kemeny.

Dans l'ensemble, "Nous espérons que c'est une belle façon d'aider à comprendre toutes les chimies impliquées pour faire de la Terre un endroit sûr pour l'évolution de la vie", a déclaré Blättler.