Briser un «seuil de carbone» pourrait mener à une extinction massive

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Dans le cerveau, lorsque les neurones envoient des signaux électriques à leurs voisins, cela se produit par une réponse «tout ou rien». Le signal ne se produit que lorsque les conditions dans la cellule dépassent un certain seuil.

Le cycle du carbone de la Terre

Un chercheur du MIT a observé un phénomène similaire dans un système complètement différent: le cycle du carbone de la Terre.

Daniel Rothman, professeur de géophysique et codirecteur du Lorenz Center du Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du MIT, a constaté que lorsque le taux du dioxyde de carbone dans les océans dépasse un certain seuil, que ce soit à la suite d’un éclatement soudain ou d’un afflux lent et régulier – la Terre peut réagir avec une cascade de réactions chimiques, entraînant une acidification extrême des océans qui amplifie de façon spectaculaire les effets du déclencheur d’origine.

Ce réflexe global entraîne d’énormes changements dans la quantité de carbone contenue dans les océans de la Terre, et les géologues peuvent voir des preuves de ces changements dans les couches de sédiments préservées pendant des centaines de millions d’années.

Rothman a parcouru ces enregistrements géologiques et a observé qu’au cours des 540 derniers millions d’années, les réserves de carbone de l’océan ont changé brusquement puis se sont rétablies des dizaines de fois d’une manière similaire à la nature abrupte d’un pic de neurone. Cette «excitation» du cycle du carbone s’est produite de manière dramatique vers le moment de quatre des cinq grandes extinctions de masse de l’histoire de la Terre.

Les scientifiques ont attribué à ces événements divers déclencheurs et ont supposé que les changements du carbone océanique qui ont suivi étaient proportionnels au déclencheur initial. Par exemple, plus le déclencheur est petit, plus les retombées sur l’environnement sont faibles.

Mais Rothman dit que ce n’est pas le cas. Peu importe ce qui avait initialement causé les événements; pour environ la moitié des perturbations dans sa base de données, une fois qu’elles ont été mises en marche, le taux d’augmentation du carbone était essentiellement le même. Leur taux caractéristique est probablement une propriété du cycle du carbone lui-même – et non des déclencheurs, car différents déclencheurs fonctionneraient à des taux différents.

Qu’est-ce que tout cela a à voir avec notre climat moderne? Les océans d’aujourd’hui absorbent le carbone environ d’un ordre de grandeur plus rapidement que le pire des cas dans l’enregistrement géologique – l’extinction finale au Permien. Mais les humains rejettent du dioxyde de carbone dans l’atmosphère depuis des centaines d’années, alors qu’il fallait au moins des dizaines de milliers d’années aux éruptions volcaniques ou à d’autres perturbations pour déclencher les grandes perturbations environnementales du passé. L’augmentation moderne du carbone pourrait-elle être trop brève pour provoquer une perturbation majeure?

Selon Rothman, nous sommes aujourd’hui «au bord de l’excitation», et si cela se produit, la flambée qui en résulte – comme en témoignent l’acidification des océans, la disparition d’espèces, etc. – sera probablement similaire aux catastrophes mondiales passées.

«Une fois le seuil a été franchi, la manière dont nous y sommes arrivés peut ne plus avoir d’importance», explique Rothman, qui publie ses résultats cette semaine dans PNAS. «Une fois que vous avez surmonté cela, vous devez comprendre le fonctionnement de la Terre et faire son propre trajet. »

Un retour du carbone

En 2017, Rothman avait fait une prédiction épouvantable : d’ici la fin du siècle, la planète devrait atteindre un seuil critique, en raison du taux élevé auquel l’homme ajoute du dioxyde de carbone à l’atmosphère. Lorsque nous franchirons ce seuil, nous risquons de mettre en branle un train de marchandises qui pourrait aboutir à la sixième extinction massive sur Terre.

Rothman a depuis lors cherché à mieux comprendre cette prévision et, plus généralement, la manière dont le cycle du carbone réagit une fois dépassé un seuil critique. Dans le nouvel article, il a développé un modèle mathématique simple pour représenter le cycle du carbone dans les couches supérieures de l’océan et son comportement éventuel lorsque ce seuil est franchi.

Les scientifiques savent que lorsque le dioxyde de carbone de l’atmosphère se dissout dans l’eau de mer, il ne rend pas les océans plus acides, il diminue également la concentration en ions carbonates. Lorsque la concentration en ions carbonates tombe en dessous d’un seuil, des coquilles en carbonate de calcium se dissolvent. Les organismes qui les rendent moins performants dans des conditions aussi difficiles.

Les coquilles, en plus de protéger la vie marine, procurent un «effet de ballast», alourdissant les organismes et leur permettant de s’enfoncer jusqu’au fond de l’océan avec le carbone organique détritique, éliminant efficacement le dioxyde de carbone de l’océan supérieur. Mais dans un monde où le dioxyde de carbone augmente, moins d’organismes calcifiants signifie moins de dioxyde de carbone éliminé.

«C’est un retour positif», déclare Rothman. «Plus de dioxyde de carbone conduit à plus de dioxyde de carbone. D’un point de vue mathématique, la question est de savoir si une telle rétroaction est suffisante pour rendre le système instable.

« Une inexorable montée »

Rothman a capturé cette rétroaction positive dans son nouveau modèle, qui comprend deux équations différentielles décrivant les interactions entre les divers constituants chimiques de la partie supérieure de l’océan. Il a ensuite observé comment le modèle réagissait lorsqu’il injectait du dioxyde de carbone supplémentaire dans le système, à des vitesses et des quantités différentes.

Il a découvert que, quel que soit le taux auquel il avait ajouté du dioxyde de carbone à un système déjà stable, le cycle du carbone dans les couches supérieures de l’océan restait stable. En réponse à de modestes perturbations, le cycle du carbone serait temporairement déséquilibré et connaîtrait une brève période d’acidification modérée des océans, mais il reviendrait toujours à son état initial plutôt que de basculer vers un nouvel équilibre.

Lorsqu’il a introduit du dioxyde de carbone à des taux plus élevés, il a constaté qu’une fois que les niveaux dépassaient un seuil critique, le cycle du carbone réagissait avec une cascade de rétroactions positives qui amplifiaient le déclencheur d’origine, provoquant un pic du système entier, sous la forme d’une acidification sévère de l’océan. Le système a finalement retrouvé son équilibre après des dizaines de milliers d’années dans les océans actuels – une indication que, malgré une réaction violente, le cycle du carbone va retrouver son équilibre.

Rothman a trouvé que ce motif correspond à l’enregistrement géologique. Le taux caractéristique affiché par la moitié de sa base de données résulte d’excitations supérieures mais proches du seuil. Les perturbations environnementales associées à l’extinction de masse sont des valeurs aberrantes – elles représentent des excitations bien au-delà du seuil. Au moins trois de ces cas peuvent être liés à un volcanisme massif et soutenu.

«Lorsque vous dépassez un seuil, le système réagit de lui-même», explique Rothman. «Le système connaît une ascension inexorable. Voilà ce qu’est l’excitabilité et comment fonctionne un neurone. »

Bien que le carbone pénètre aujourd’hui dans les océans à un rythme sans précédent, il le fait sur une période géologiquement brève. Le modèle de Rothman prédit que les deux effets s’annulent: des taux plus rapides nous rapprochent du seuil, mais des durées plus courtes nous en éloignent. En ce qui concerne le seuil, le monde moderne est à peu près à la même place qu’il était pendant de longues périodes de volcanisme massif.

En d’autres termes, si les émissions anthropiques d’aujourd’hui franchissent le seuil et continuent au-delà de celui-ci, comme le prédira Rothman, les conséquences pourraient être tout aussi graves que celles subies par la Terre lors de ses précédentes extinctions de masse.

Nous sommes près d’un seuil critique

«Il est difficile de savoir comment les choses se dérouleront compte tenu de ce qui se passe aujourd’hui», déclare Rothman. «Mais nous sommes probablement près d’un seuil critique. Toute pointe atteindrait son maximum après environ 10 000 ans. Espérons que cela nous donnerait le temps de trouver une solution. »

«Nous savons déjà que nos actions d’émission de CO2 auront des conséquences sur plusieurs millénaires», a déclaré Timothy Lenton, professeur de science du changement climatique et des systèmes terrestres à l’Université d’Exeter. «Cette étude suggère que ces conséquences pourraient être beaucoup plus dramatiques que prévus. Si nous poussons trop loin le système terrestre, il prend le relais et détermine sa propre réponse – au-delà de ce point, nous ne pourrons plus rien faire à ce sujet. »

Source : MIT
Crédit photo : Pixabay

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