Au cours des 540 derniers millions d'années, la Terre a subi cinq extinctions massives, chacun impliquant des processus qui ont bouleversé le cycle normal du carbone dans l'atmosphère et les océans. Ces perturbations mondialement fatales du carbone se sont chacune déroulées sur des milliers à des millions d'années, et coïncident avec l'extermination généralisée des espèces marines dans le monde.

La question pour de nombreux scientifiques est de savoir si le cycle du carbone connaît actuellement une secousse importante qui pourrait faire basculer la planète vers une sixième extinction de masse. A l'ère moderne, les émissions de dioxyde de carbone n'ont cessé d'augmenter depuis le 19e siècle, mais déterminer si ce récent pic de carbone pourrait conduire à une extinction de masse a été un défi. C'est principalement parce qu'il est difficile de relier les anciennes anomalies du carbone, se produisant sur des milliers à des millions d'années, aux perturbations d'aujourd'hui, qui se sont déroulées en un peu plus d'un siècle.

Maintenant Daniel Rothman, professeur de géophysique au département de la Terre du MIT, Sciences atmosphériques et planétaires et co-directeur du Lorenz Center du MIT, a analysé les changements significatifs du cycle du carbone au cours des 540 derniers millions d'années, y compris les cinq événements d'extinction de masse. Il a identifié des « seuils de catastrophe » dans le cycle du carbone qui, en cas de dépassement, conduirait à un environnement instable, et ultimement, extinction de masse.

Dans un article publié en Avancées scientifiques , il propose que l'extinction de masse se produise si l'un des deux seuils est franchi :pour les changements dans le cycle du carbone qui se produisent sur de longues échelles de temps, des extinctions suivront si ces changements se produisent à un rythme plus rapide que les écosystèmes mondiaux ne peuvent s'adapter. Pour les perturbations du carbone qui se produisent sur des échelles de temps plus courtes, le rythme des changements du cycle du carbone n'aura pas d'importance; au lieu, la taille ou l'ampleur du changement déterminera la probabilité d'un événement d'extinction.

Faisant avancer ce raisonnement dans le temps, Rothman prédit que, compte tenu de l'augmentation récente des émissions de dioxyde de carbone sur une période relativement courte, une sixième extinction dépendra de l'ajout d'une quantité critique de carbone dans les océans. Cette somme, il calcule, est d'environ 310 gigatonnes, qu'il estime être à peu près équivalente à la quantité de carbone que les activités humaines auront ajouté aux océans du monde d'ici l'an 2100.

Cela signifie-t-il que l'extinction de masse suivra bientôt au tournant du siècle ? Rothman dit que cela prendrait un certain temps - environ 10, 000 ans—pour que de telles catastrophes écologiques se produisent. Cependant, il dit que d'ici 2100, le monde pourrait avoir basculé en "territoire inconnu".

"Cela ne veut pas dire que la catastrophe se produit le lendemain, " Rothman dit. " C'est dire que, si rien n'est fait, le cycle du carbone entrerait dans un domaine qui ne serait plus stable, et se comporterait d'une manière difficilement prévisible. Dans le passé géologique, ce type de comportement est associé à une extinction de masse."

L'histoire suit la théorie

Rothman avait déjà travaillé sur l'extinction de la fin du Permien, l'extinction la plus grave de l'histoire de la Terre, dans lequel une impulsion massive de carbone à travers le système terrestre a été impliquée dans l'élimination de plus de 95 pour cent des espèces marines dans le monde. Depuis, des conversations avec des collègues l'ont incité à envisager la probabilité d'une sixième extinction, soulevant une question essentielle :

"Comment pouvez-vous vraiment comparer ces grands événements du passé géologique, qui se produisent sur de si vastes échelles de temps, à ce qui se passe aujourd'hui, qui est des siècles au plus long?" dit Rothman. "Alors je me suis assis un jour d'été et j'ai essayé de réfléchir à la façon dont on pourrait s'y prendre systématiquement."

Il a finalement dérivé une formule mathématique simple basée sur des principes physiques de base qui relient le taux critique et l'ampleur du changement dans le cycle du carbone à l'échelle de temps qui sépare le changement rapide du lent. Il a émis l'hypothèse que cette formule devrait prédire si l'extinction de masse, ou une autre sorte de catastrophe mondiale, devrait se produire.

Rothman a ensuite demandé si l'histoire suivait son hypothèse. En recherchant dans des centaines d'articles de géochimie publiés, il a identifié 31 événements au cours des 542 millions d'années au cours desquels un changement significatif s'est produit dans le cycle du carbone de la Terre. Pour chaque événement, y compris les cinq extinctions de masse, Rothman a noté le changement de carbone, exprimé dans le dossier géochimique comme un changement dans l'abondance relative de deux isotopes, carbone-12 et carbone-13. Il a également noté la durée pendant laquelle les changements se sont produits.

Il a ensuite conçu une transformation mathématique pour convertir ces quantités en masse totale de carbone qui a été ajoutée aux océans lors de chaque événement. Finalement, il a tracé à la fois la masse et l'échelle de temps de chaque événement.

"Il est devenu évident qu'il y avait un taux de changement caractéristique que le système n'aimait fondamentalement pas dépasser, " dit Rothman.

En d'autres termes, il a observé un seuil commun que la plupart des 31 événements semblaient rester en deçà. Bien que ces événements aient entraîné des changements importants dans le carbone, elles étaient relativement bénignes – pas assez pour déstabiliser le système vers la catastrophe. En revanche, quatre des cinq événements d'extinction de masse ont dépassé le seuil, l'extinction la plus grave de la fin du Permien étant la plus éloignée de la ligne.

« Ensuite, il s'agissait de comprendre ce que cela signifiait, " dit Rothman.

Une fuite cachée

Après une analyse plus approfondie, Rothman a découvert que le taux critique de catastrophe est lié à un processus caché dans le cycle naturel du carbone de la Terre. Le cycle est essentiellement une boucle entre la photosynthèse et la respiration. Normalement, il y a une "fuite" dans le cycle, dans lequel une petite quantité de carbone organique descend au fond de l'océan et, heures supplémentaires, est enfoui sous forme de sédiment et séquestré du reste du cycle du carbone.

Rothman a découvert que le taux critique était équivalent au taux de production excessive de dioxyde de carbone qui résulterait du colmatage de la fuite. Tout dioxyde de carbone supplémentaire injecté dans le cycle ne pourrait pas être décrit par la boucle elle-même. Un ou plusieurs autres processus auraient plutôt entraîné le cycle du carbone en territoire instable.

Il a ensuite déterminé que le taux critique ne s'applique qu'au-delà de l'échelle de temps à laquelle le cycle du carbone marin peut rétablir son équilibre après avoir été perturbé. Aujourd'hui, cette échelle de temps est d'environ 10, 000 ans. Pour des événements beaucoup plus courts, le seuil critique n'est plus lié à la vitesse à laquelle le carbone est ajouté aux océans mais plutôt à la masse totale du carbone. Les deux scénarios laisseraient un excès de carbone circulant dans les océans et l'atmosphère, entraînant probablement le réchauffement climatique et l'acidification des océans.

Le siècle est la limite

A partir du taux critique et de l'échelle de temps d'équilibre, Rothman a calculé que la masse critique de carbone pour les temps modernes était d'environ 310 gigatonnes.

Il a ensuite comparé sa prédiction à la quantité totale de carbone ajoutée aux océans de la Terre d'ici l'an 2100, comme prévu dans le rapport le plus récent du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat. Les projections du GIEC envisagent quatre voies possibles pour les émissions de dioxyde de carbone, allant d'un associé à des politiques strictes pour limiter les émissions de dioxyde de carbone, à un autre lié à la gamme élevée de scénarios sans limites.

Le meilleur scénario prévoit que les humains ajouteront 300 gigatonnes de carbone aux océans d'ici 2100, tandis que plus de 500 gigatonnes seront ajoutées dans le pire des cas, dépassant largement le seuil critique. Dans tous les scénarios, Rothman montre qu'en 2100, le cycle du carbone sera soit proche, soit bien au-delà du seuil de catastrophe.

"Il devrait y avoir des moyens de réduire [les émissions de dioxyde de carbone], " dit Rothman. " Mais ce travail indique les raisons pour lesquelles nous devons être prudents, et cela donne plus de raisons d'étudier le passé pour informer le présent."