Nous en savons beaucoup sur la façon dont les niveaux de dioxyde de carbone (CO2) peuvent entraîner le changement climatique, mais qu'en est-il de la façon dont le changement climatique peut provoquer des fluctuations des niveaux de CO2 ? De nouvelles recherches menées par une équipe internationale de scientifiques révèlent l'un des mécanismes par lesquels un climat plus froid s'est accompagné d'un épuisement du CO2 atmosphérique au cours des périodes glaciaires passées.

L'objectif global du travail est de mieux comprendre comment et pourquoi la terre subit des changements climatiques périodiques, ce qui pourrait faire la lumière sur la façon dont les facteurs artificiels pourraient affecter le climat mondial.

La température moyenne de la Terre a naturellement fluctué d'environ 4 à 5 degrés Celsius au cours du dernier million d'années, alors que la planète entre et sort des périodes glaciaires. Pendant ce temps, les niveaux de CO2 atmosphérique de la terre ont fluctué entre environ 180 et 280 parties par million (ppm) tous les 100, 000 ans environ. (Dans les années récentes, les émissions de carbone artificielles ont augmenté cette concentration jusqu'à plus de 400 ppm.)

Il y a environ 10 ans, les chercheurs ont remarqué une correspondance étroite entre les fluctuations des niveaux de CO2 et de la température au cours du dernier million d'années. Quand la terre est au plus froid, la quantité de CO2 dans l'atmosphère est également au plus bas. Au cours de l'ère glaciaire la plus récente, qui s'est terminé vers le 11 il y a 000 ans, les températures mondiales étaient inférieures de 5 degrés Celsius à ce qu'elles sont aujourd'hui, et les concentrations atmosphériques de CO2 étaient de 180 ppm.

En utilisant une bibliothèque de plus de 10, 000 coraux des grands fonds collectés par Jess Adkins de Caltech, une équipe internationale de scientifiques a montré que les périodes de climats plus froids sont associées à une plus grande efficacité du phytoplancton et à une réduction des nutriments à la surface de l'océan Austral (l'océan entourant l'Antarctique), qui est liée à une augmentation de la séquestration du carbone dans l'océan profond. Un article sur leurs recherches paraît la semaine du 13 mars dans l'édition en ligne du Actes de l'Académie nationale des sciences .

« Il est essentiel de comprendre pourquoi la concentration de CO2 dans l'atmosphère était plus faible pendant les périodes glaciaires. Cela nous aidera à comprendre comment l'océan réagira aux émissions anthropiques de CO2 en cours, " dit Xingchen (Tony) Wang, auteur principal de l'étude. Wang était un étudiant diplômé à Princeton alors qu'il menait les recherches dans le laboratoire de Daniel Sigman, Professeur de Dusenbury en sciences géologiques et géophysiques. Il est maintenant boursier postdoctoral de la Fondation Simons sur les origines de la vie à Caltech.

Il y a 60 fois plus de carbone dans l'océan que dans l'atmosphère, en partie parce que l'océan est si grand. La masse des océans du monde est environ 270 fois supérieure à celle de l'atmosphère. En tant que tel, l'océan est le plus grand régulateur du carbone dans l'atmosphère, agissant à la fois comme un puits et une source de CO2 atmosphérique.

Les processus biologiques sont le principal moteur de l'absorption du CO2 de l'atmosphère vers l'océan. Tout comme la photosynthèse des arbres et des plantes sur terre, le plancton à la surface de la mer transforme le CO2 en sucres qui sont éventuellement consommés par d'autres créatures. Alors que les créatures marines qui consomment ces sucres - et le carbone qu'ils contiennent - meurent, ils s'enfoncent dans l'océan profond, où le carbone est enfermé loin de l'atmosphère pendant une longue période. Ce processus s'appelle la « pompe biologique ».

Une population saine de phytoplancton aide à emprisonner le carbone de l'atmosphère. Pour s'épanouir, le phytoplancton a besoin de nutriments, notamment azote, phosphore, et fer. Dans la plupart des régions de l'océan moderne, le phytoplancton épuise tous les nutriments disponibles dans l'océan de surface, et la pompe biologique fonctionne avec une efficacité maximale.

Cependant, dans l'océan Austral moderne, il y a une quantité limitée de fer, ce qui signifie qu'il n'y a pas assez de phytoplancton pour consommer pleinement l'azote et le phosphore dans les eaux de surface. Quand il y a moins de biomasse vivante, il y en a aussi moins qui peuvent mourir et couler au fond, ce qui entraîne une diminution de la séquestration du carbone. La pompe biologique ne fonctionne actuellement pas aussi efficacement qu'elle le pourrait théoriquement.

Pour suivre l'efficacité de la pompe biologique au cours des 40 dernières années, 000 ans, Adkins et ses collègues en ont collecté plus de 10, 000 fossiles du corail Desmophyllum dianthus.

Pourquoi le corail ? Deux raisons :d'abord, à mesure qu'il grandit, le corail accumule un squelette autour de lui, précipitant le carbonate de calcium (CaCO3) et d'autres oligo-éléments (y compris l'azote) hors de l'eau qui l'entoure. Ce processus crée un record rocheux de la chimie de l'océan. Seconde, le corail peut être daté avec précision en utilisant une combinaison de datation au radiocarbone et à l'uranium.

"Trouver quelques coraux fossiles de quelques centimètres de haut 2, 000 mètres de profondeur dans l'océan n'est pas une mince affaire, " dit Adkins, Professeur de la famille Smits de géochimie et de sciences de l'environnement mondial à Caltech.

Adkins et ses collègues ont collecté du corail dans le fossé relativement étroit (500 milles) connu sous le nom de passage de Drake entre l'Amérique du Sud et l'Antarctique (entre autres). Parce que l'océan Austral s'écoule autour de l'Antarctique, toutes ses eaux passent à travers cette lacune, faisant des échantillons qu'Adkins a collectés un enregistrement solide de l'eau dans tout l'océan Austral.

Wang a analysé les rapports de deux isotopes d'atomes d'azote dans ces coraux - l'azote-14 (14N, la variété la plus commune de l'atome, avec sept protons et sept neutrons dans son noyau) et de l'azote-15 (15N, qui a un neutron supplémentaire). Lorsque le phytoplancton consomme de l'azote, ils préfèrent 14N à 15N. Par conséquent, il existe une corrélation entre le rapport des isotopes d'azote dans la matière organique en train de couler (que les coraux mangent ensuite lorsqu'elle tombe sur le fond marin) et la quantité d'azote consommée dans l'océan de surface - et, par extension, l'efficacité de la pompe biologique.

Une quantité plus élevée de 15N dans les fossiles indique que la pompe biologique fonctionnait plus efficacement à ce moment-là. Une analogie serait de surveiller ce qu'une personne mange chez elle. S'ils mangent plus de leurs aliments moins appréciés, alors on pourrait supposer que la quantité de nourriture dans leur garde-manger est faible.

En effet, Wang a découvert que des quantités plus élevées de 15N étaient présentes dans les fossiles correspondant à la dernière période glaciaire, indiquant que la pompe biologique fonctionnait plus efficacement pendant cette période. En tant que tel, les preuves suggèrent que les climats plus froids permettent à plus de biomasse de croître à la surface de l'océan Austral, probablement parce que les climats plus froids connaissent des vents plus forts, qui peut souffler plus de fer dans l'océan Austral depuis les continents. Que la biomasse consomme du carbone, puis meurt et coule, le verrouiller loin de l'atmosphère.

Adkins et ses collègues prévoient de continuer à sonder la bibliothèque de coraux pour plus de détails sur les cycles des changements de la chimie des océans au cours des plusieurs centaines de milliers d'années.

L'étude s'intitule « preuves de coraux d'eau profonde pour les concentrations inférieures de nitrate à la surface de l'océan Austral au cours de la dernière période glaciaire ».