Pendant des centaines de millions d'années, le climat de la Terre s'est réchauffé et refroidi avec des fluctuations naturelles du niveau de dioxyde de carbone (CO₂) dans l'atmosphère. Au cours du siècle dernier, les humains ont poussé les niveaux de CO₂ à leur plus haut niveau depuis 2 millions d'années, dépassant les émissions naturelles, principalement en brûlant des combustibles fossiles, provoquant un réchauffement climatique continu qui peut rendre certaines parties du globe inhabitables.

Ce qui peut être fait? En tant que scientifiques de la Terre, nous examinons comment les processus naturels ont recyclé le carbone de l'atmosphère vers la Terre et dans le passé pour trouver des réponses possibles à cette question.

Nos nouvelles recherches publiées dans Nature , montre comment les plaques tectoniques, les volcans, l'érosion des montagnes et les sédiments des fonds marins ont contrôlé le climat de la Terre dans le passé géologique. L'exploitation de ces processus peut jouer un rôle dans le maintien du climat "Goldilocks" dont notre planète a joui.

De la serre à l'ère glaciaire

Les climats de serre et de glacière ont existé dans le passé géologique. La serre chaude du Crétacé (qui a duré il y a environ 145 millions à 66 millions d'années) avait des niveaux atmosphériques de CO₂ supérieurs à 1 000 parties par million, contre environ 420 aujourd'hui, et des températures jusqu'à 10℃ plus élevées qu'aujourd'hui.

Mais le climat de la Terre a commencé à se refroidir il y a environ 50 millions d'années au cours de l'ère cénozoïque, culminant dans un climat de glacière dans lequel les températures ont chuté à environ 7℃ de moins qu'aujourd'hui.

Qu'est-ce qui a déclenché ce changement radical du climat mondial ?

Notre soupçon était que les plaques tectoniques de la Terre étaient le coupable. Pour mieux comprendre comment les plaques tectoniques stockent, déplacent et émettent du carbone, nous avons construit un modèle informatique de la "bande transporteuse de carbone" tectonique.

Le tapis roulant en carbone

Les processus tectoniques libèrent du carbone dans l'atmosphère au niveau des dorsales médio-océaniques, où deux plaques s'éloignent l'une de l'autre, permettant au magma de remonter à la surface et de créer une nouvelle croûte océanique.

Dans le même temps, dans les fosses océaniques - où deux plaques convergent - les plaques sont tirées vers le bas et recyclées dans la Terre profonde. En descendant, ils ramènent du carbone à l'intérieur de la Terre, mais libèrent également du CO₂ via l'activité volcanique.

Notre modèle montre que le climat de serre du Crétacé a été causé par des plaques tectoniques en mouvement très rapide, qui ont considérablement augmenté les émissions de CO₂ des dorsales médio-océaniques.

Lors de la transition vers le climat de la glacière cénozoïque, le mouvement des plaques tectoniques s'est ralenti et les émissions volcaniques de CO₂ ont commencé à baisser. Mais à notre grande surprise, nous avons découvert un mécanisme plus complexe caché dans le système de tapis roulant impliquant la construction de montagnes, l'érosion continentale et l'enfouissement des restes d'organismes microscopiques sur le fond marin.

L'effet refroidissant caché du ralentissement des plaques tectoniques au Cénozoïque

Les plaques tectoniques ralentissent en raison des collisions, ce qui conduit à son tour à la formation de montagnes, comme l'Himalaya et les Alpes formées au cours des 50 derniers millions d'années. Cela aurait dû réduire les émissions volcaniques de CO₂, mais à la place, notre modèle de bande transporteuse en carbone a révélé une augmentation des émissions.

Nous avons suivi leur source dans les sédiments d'eaux profondes riches en carbone poussés vers le bas pour alimenter les volcans, augmentant les émissions de CO₂ et annulant l'effet du ralentissement des plaques.

So what exactly was the mechanism responsible for the drop in atmospheric CO₂?

The answer lies in the mountains that were responsible for slowing down the plates in the first place and in carbon storage in the deep sea.

As soon as mountains form, they start being eroded. Rainwater containing CO₂ reacts with a range of mountain rocks, breaking them down. Rivers carry the dissolved minerals into the sea. Marine organisms then use the dissolved products to build their shells, which ultimately become a part of carbon-rich marine sediments.

As new mountain chains formed, more rocks were eroded, speeding up this process. Massive amounts of CO₂ were stored away, and the planet cooled, even though some of these sediments were subducted with their carbon degassing via arc volcanoes.

Rock weathering as a possible carbon dioxide removal technology

The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) says large-scale deployment of carbon dioxide removal methods is "unavoidable" if the world is to reach net-zero greenhouse gas emissions.

The weathering of igneous rocks, especially rocks like basalt containing a mineral called olivine, is very efficient in reducing atmospheric CO₂. Spreading olivine on beaches could absorb up to a trillion tons of CO₂ from the atmosphere, according to some estimates.

The speed of current human-induced warming is such that reducing our carbon emissions very quickly is essential to avoid catastrophic global warming. But geological processes, with some human help, may also have their role in maintaining Earth's "Goldilocks" climate.

This study was carried out by researchers from the University of Sydney's EarthByte Group, The University of Western Australia, the University of Leeds and the Swiss Federal Institute of Technology, Zurich using GPlates open access modeling software. This was enabled by Australia's National Collaborative Research Infrastructure Strategy (NCRIS) via AuScope and The Office of the Chief Scientist and Engineer, NSW Department of Industry.