Productivité exceptionnelle de la biosphère lors d'un interglaciaire chaud il y a 420 000 ans

Publié par Redbran le 01/05/2020 à 14:00
Source: CNRS INSU
La productivité de la biosphère est l'un des paramètres importants qui contrôlent la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone. Des chercheurs d'une collaboration franco-danoise viennent de montrer, grâce à l'analyse géochimique de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) piégé dans une carotte (La carotte (Daucus carota) est une plante bisannuelle de la famille des apiacées (anciennement ombellifères), largement cultivée pour sa racine pivotante charnue,...) de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus méridional de la Terre. Situé au pôle Sud, il est entouré de...), qu'au début d'une période chaude et exceptionnellement longue, commencée il y a environ 420 000 ans, la productivité globale de la biosphère (La notion de biosphère désigne à la fois un espace et un processus auto-entretenu (jusqu'à ce jour et depuis plus de 3 milliards d'années) sur la planète Terre, et qu'on ne connait que sur cette planète ; Le...) était de 10 à 30 % plus élevée que pendant l'ère préindustrielle. Cette forte productivité globale serait due à une augmentation de la productivité terrestre et aurait contribué à réguler la concentration en CO2 atmosphérique.


Évolution de la productivité biosphérique au cours des 445 000 dernières années.
a) Courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.) de CO2 composite (Bereiter et coll., 2015).
b) Reconstitution du rapport de productivité biosphérique entre un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) t donné et la période préindustrielle, calculée à partir des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) de Δ17O de O2.
c) Enregistrement de pollen (Le pollen (du grec palè : farine ou poussière) constitue, chez les végétaux supérieurs, l'élément fécondant mâle de la fleur : ce sont de minuscules grains...) d'arbres, d'arbustes et de Picea dans le lac (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il suffit que la profondeur, la superficie, ou le volume soit suffisant pour...) El'Gygytgyn, en Sibérie (Melles et coll., 2012).
d) Enregistrement de pollen dans la carotte sédimentaire marine ODP Site 646 au sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) du Groenland (Le Groenland (prononcez /gʁɔɛn.lɑ̃d/, écrit Groënland dans la graphie française d'avant 1850, Grønland en danois (« terre...) (De Vernal et Hillaire-Marcel, 2008)

Au cours des derniers 800 000 ans, la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...) a connu plusieurs transitions entre des périodes glaciaires et interglaciaires. Ces transitions, aussi appelées "déglaciations", étaient associées à une hausse rapide de la concentration en dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule brute est : CO2. C'est...) (CO2) dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) pouvant aller jusqu'à 100 ppm en quelques milliers d'années. C'est notamment le cas de la déglaciation enregistrée il y a 430 000 ans, appelée Terminaison V, qui montre des caractéristiques plutôt singulières. Elle est associée à une faible excentricité (Cet article décrit l'excentricité en mathématiques et en psychologie.) de l'orbite terrestre (Une orbite terrestre est une orbite située autour de la Terre. La Lune, le seul satellite naturel de la Terre, est située sur une orbite terrestre. Les...) (2) et est la première déglaciation à avoir enregistré une augmentation de CO2 atmosphérique de plus de 70 ppm. Elle fait suite à la période glaciaire la plus froide et précède la plus longue période interglaciaire (~ 30 000 ans contre 10 000 ans en moyenne).

Les mécanismes à l'origine de ces augmentations de la concentration en CO2 atmosphérique sont multiples et leurs contributions relatives restent une question ouverte. De nombreuses études ont révélé que des augmentations dans les flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) de CO2 de l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en permanence...) vers l'atmosphère pourraient expliquer une grande partie de ces augmentations. Pour la Terminaison V néanmoins, ces augmentations des flux océaniques auraient dû conduire à une augmentation de la concentration atmosphérique en CO2 supérieure à celle effectivement mesurée.

Cependant, ces études ne prennent pas en compte la productivité de la biosphère globale (incluant la productivité terrestre et océanique). Or, celle-ci est associée à d'importants flux de CO2 via la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις...) vs la respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet de dioxyde de carbone, CO2, appelé parfois de façon impropre « gaz...) et pourrait ainsi avoir un impact significatif sur les teneurs en CO2 de l'atmosphère, une forte productivité biologique conduisant à une forte consommation du CO2 atmosphérique.

Une équipe franco-danoise (1) a étudié les flux liés à la productivité biosphérique sur la période de la Terminaison V, pour mieux comprendre leurs impacts sur les variations de CO2 atmosphérique. Pour ce faire, les scientifiques ont développé au LSCE la seule ligne expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de...) d'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du...) d'extraction de l'oxygène de l'air piégé dans la glace, qui permet de mesurer avec précision la composition isotopique triple de l'oxygène (Δ17O de O2) dans les bulles d'air piégées dans la glace, et l'ont utilisée pour effectuer des mesures sur la carotte antarctique Epica Dome C (EDC) pour la période comprise entre 445 et 405 000 ans. La composition isotopique triple de l'oxygène échangé avec la biosphère lors des processus associés à la productivité biologique (photosynthèse vs respiration) ayant une signature significativement différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la trace, dans l'anneau...) de celle de l'oxygène n'ayant pas subi de tels échanges, les variations enregistrées dans l'atmosphère "fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement « qui est fouillé ») est le reste (coquille, os, dent, graine, feuilles...) ou le simple moulage d'un animal ou...)" permettent de retracer la productivité biosphérique passée.

Les flux d'oxygène associés à la productivité biosphérique et reconstitués à partir des données de cette étude montrent que, durant la Terminaison V et le début de l'interglaciaire qu'elle précède, la productivité était de 10 à 30 % supérieure à celle observée durant la période préindustrielle. C'est le niveau de productivité biologique le plus élevé jamais observé durant les 450 000 dernières années.

Pour mieux comprendre l'origine de cette augmentation globale de la productivité de la biosphère, et notamment la part relative des réservoirs terrestres et océaniques, les données acquises ont été comparées à des enregistrements de productivité biologique locaux, renseignés par des données de végétation (La végétation est l'ensemble des plantes (la flore) sauvages ou cultivées qui poussent sur une surface donnée de sol, ou dans un milieu aquatique. On parle aussi de "couverture végétale".) continentale (grains de pollen) et des données indirectement associées à la productivité marine (teneurs en carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.), biomolécules et carbonates dans les sédiments).

Alors que la productivité primaire marine pendant la Terminaison V ne présente pas un schéma singulièrement différent de celle de la période préindustrielle, la productivité terrestre est significativement plus forte, notamment aux hautes latitudes de l'hémisphère nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.). Cela pourrait expliquer la forte productivité biosphérique, cette dernière favorisant à son tour le maintien du CO2 à un niveau plus bas que celui attendu.

Cette étude met en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) le rôle important de la productivité biologique, et plus particulièrement celui du réservoir terrestre sur les changements de CO2 atmosphérique au cours des transitions climatiques clés du passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le présent....). Elle montre également le besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois...) crucial de disposer de plus de données sur la productivité biologique à l'échelle locale et régionale, car celles-ci permettraient de mieux contraindre l'impact de la productivité biosphérique sur les variations de CO2 atmosphérique.

Références:
Brandon, M., Landais, A., Duchamp-Alphonse, S., Favre, V., Schmitz, L., Abrial, H., Prié, F., Extier, T., Blunier, T. Exceptionally high biosphere productivity at the beginning of Marine Isotopic Stage (Un stage est le plus souvent une période de formation, d'apprentissage ou de perfectionnement qui dure quelques jours à plusieurs mois dans un lieu adapté :) 11. Nature Communications volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) 11, Article number: 2112 (2020)
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15739-2

Notes:
(1) Les laboratoires et instituts impliqués dans cette étude sont le Laboratoire des sciences du climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de la...) et de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une...) (LSCE/IPSL, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) / CEA / UVSQ), le laboratoire Géosciences Paris-Sud (GEOPS/IPSL, CNRS / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis,...) Paris-Sud) et le Center for ice and climate (Université de Copenhague, Danemark).
(2) Lorsque l'excentricité de l'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) terrestre est faible, l'insolation de la Terre varie peu au cours des saisons, ce qui a tendance à favoriser la croissance végétale et donc la productivité de la biosphère terrestre.


Contact:
Margaux Brandon - LSCE/IPSL et GEOPS/IPSL - margaux.brandon at universite-paris-saclay.fr
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