Des fluctuations climatiques, la Terre en a connu de très nombreuses depuis sa formation il y a 4,5 milliards d'années. Peu, cependant, ont été aussi extrêmes que les deux épisodes dits de « Terre boule de neige », qui se sont produits il y a plus de 635 millions d'années.

Depuis leur identification, ces glaciations globales intriguent les scientifiques. Les mécanismes naturels ayant mené à de tels extrêmes climatiques (et permis d'en sortir) restent encore débattus.

La Terre entière recouverte de glace au Cryogénien. © Nasa

Le cycle du carbone, véritable thermostat terrestre

Pour rappel, le cycle du carbone est le mécanisme principal qui permet à notre Planète de réguler son climat au fil des millions d'années et de maintenir en surface une température moyenne, un élément qui été particulièrement propice à l'essor de la vie terrestre. Dans les grandes lignes, voici comment il fonctionne :

1. Le volcanisme libère dans l'atmosphère du dioxyde de carbone (CO₂).
2. Ce CO₂ atmosphérique se dissout dans l'eau de pluie pour former un acide faible qui va, en s'écoulant sur le sol, altérer les roches silicatées des continents pour former des ions riches en carbone. Ceux-ci vont être transportés par les rivières jusque dans les océans. Il y a donc à ce stade une « capture » de carbone atmosphérique.
3. Dans les océans, ces éléments carbonatés vont être utilisés par les organismes vivants pour former des coquilles, qui vont ensuite se déposer dans les roches sédimentaires. Le carbone est alors « stocké » de façon pérenne au fond des océans.
4. Avec la tectonique des plaques, ces sédiments vont être emportés dans les zones de subduction et vont plonger dans le manteau terrestre.
5. Une partie du carbone est alors renvoyée dans l'atmosphère via le volcanisme, bouclant ainsi ce cycle qui s'étend sur plusieurs centaines de millions d'années.

C'est cette extrême lenteur qui permet de stabiliser le climat à l'échelle des temps géologiques. Ce cycle est toutefois beaucoup trop lent pour compenser des changements rapides liées à des perturbations majeures du taux de CO₂ atmosphérique s'opérant sur quelques siècles ou millénaires, comme des épisodes volcaniques très intenses... ou les émissions massives produites par les activités humaines.

Le cycle « lent » du carbone : l'érosion des surface continentale entraîne la formation de minéraux carbonatés riches en carbone qui vont se déposer dans le fond des océans avant d'être recyclés au niveau des zones de subduction. Le carbone va alors être remobilisé dans le magma et dégazé en surface sous forme de CO₂. © NPS, Wikimedia Commons, domaine public

« Terre boule de neige » : un cycle qui déraille temporairement à cause de l’albédo

Pour expliquer les glaciations globales, il faut ainsi prendre en compte ce cycle, mais également un autre phénomène : l'albédo.

Les modèles suggèrent que ces épisodes sont associés à de faibles concentrations de CO₂ atmosphérique. En l'absence d’effet de serre, un climat froid s'est établi, qui a permis aux calottes polaires de grandir jusqu'à atteindre des latitudes moyennes. C'est alors que s'est enclenché un phénomène de rétroaction positive : les vastes surfaces de glace blanche réfléchissent en effet davantage la lumière (effet d'albédo), ce qui a accéléré encore le refroidissement. La glace a continué de s'étendre jusqu'à atteindre les tropiques, couvrant presque totalement la surface terrestre.

Dans ce contexte, le processus d’altération chimique des roches continentales, prises dans les glaces, est drastiquement réduit. Le CO₂ atmosphérique n'est donc plus capturé par ce processus et, petit à petit, le CO₂ émis par les volcans toujours en activité va s'accumuler dans l'atmosphère... jusqu'à atteindre un niveau critique.

L'effet de serre devient alors suffisamment fort pour provoquer un réchauffement rapide et la fonte des glaces. La fin de ces glaciations extrêmes est souvent brutale, et généralement suivie par des périodes très chaudes.

Durant les glaciations globales, la Terre est quasiment totalement recouverte de glace, ce qui renforce l'effet d'albédo. © Poul Christoffersen, Université de Cambridge

Un scénario qui semble clair, mais qui est en réalité bien plus complexe. En effet, les études portant sur les épisodes de « Terre boule de neige » révèlent qu'ils n'ont, et de loin, pas toute la même durée.

Ainsi, les deux glaciations globales marquant l'époque bien nommée du Cryogénien ont respectivement duré 56 millions d'années et 4 millions d'années. Une différence notable que les chercheurs ont encore du mal à expliquer.

Une altération à l’arrêt sur les continents, mais pas au fond des océans

Deux hypothèses sont avancées : soit le taux d'émission de CO₂ par les volcans a été différent entre ces deux épisodes, soit c'est le taux d'altération de roches qui a varié. Aucune preuve géologique ne permet toutefois d'appuyer la première hypothèse, laissant penser que c'est bien le taux d'altération qui aurait principalement joué. Mais comment l'expliquer, alors que l'on sait qu'en période de glaciation, ce phénomène est quasiment à l'arrêt ?

Une équipe de chercheurs a toutefois démontré dans une nouvelle étude que c'est bien ce mécanisme qui aurait induit une telle différence entre les glaciations sturtienne et marinoenne. Ce n'est cependant pas l'altération des roches continentales qui serait en cause, mais celle de fond océanique.

Actuellement, cette altération, associée notamment à la circulation hydrothermale, est bien connue pour participer à la capture du CO₂, mais dans une proportion infime par rapport à l'altération continentale. Pourtant, il y a 700 millions d'années, le contexte était très différent et l'altération du fond océanique aurait pu jouer un rôle bien plus important qu'on ne le pensait.

Les modélisations réalisées par les chercheurs montrent que ce processus pourrait bien expliquer les durées des deux glaciations. Durant la glaciation sturtienne, l'altération du fond océanique aurait ainsi été plus importante en raison d'une plus forte porosité des roches, participant au maintien d'un climat froid durant une très longue période.

Si le modèle reste à affiner, les auteurs de l'étude publiée dans la revue Geology suggèrent que cette forte porosité des roches serait en lien avec une faible quantité de sulfate dissous dans l'eau de mer, cet élément étant connu pour réagir avec le calcium au niveau des sources hydrothermales, produisant ainsi des minéraux bouchant la porosité.

Reste à expliquer pourquoi les flux géochimiques, et notamment ceux du soufre, auraient été différents entre ces deux épisodes.

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