Samedi 23 janvier 2010 6 23 /01 /2010 10:20

la source principale de cet article est la modélisation STELLA ainsi que "scientific basis" du TAR (GIEC)

 

 

4-cycle géologique long terme

 

 

Ce cycle fait intervenir le très long terme, à savoir les échelles de temps de plusieurs dizaines de milliers à plusieurs centaines de millions d'années.

Pour ce qui occupe l'espèce humaine dans sa phase actuelle, il n'a quasiment aucun impact.

Par contre, il a son importance pour expliquer pourquoi nous en sommes là.

 

Le réservoir de carbone est immense dans la croûte terrestre puisqu'il s'élève à 1020 kg soit 100 millions de Gt  (Kasting 93)

 

On est loin des 38000Gt de l'océan et encore plus des 600 Gt de l'atmosphère.

 

Une masse importante de carbone se situe dans les profondeurs du manteau, mais on peut considérer qu'elle échappe au cycle long terme et a été piégée dès l'accrétion de la Terre.

 

On peut supposer qu'une bonne partie des 100 millions de Gt de la croûte aient été présents dans l'atmosphère primordiale.

 

Ceci a du entraîner, au maximum,  une pression de CO2 (ou de CO2+CO+CH4) de l'ordre de :

 

1020 kg*9.81m.s-2 / 5.11 1014 m2*44/12 (gCO2/gC) = 70.4.2 10 Pa ou 70.4 atm.

 

Kasting 93 estime que 15% de cette masse ont pu se retrouver dans l'atmosphère primitive.

 

La pression "sèche" de cette atmosphère aurait donc pu être de l'ordre de 10 bars de (CO2+CO) et 1 bar d'N2.

 

On peut comparer les 10 bars de CO2 de cette atmosphère primitive aux 0.000385 bar actuels.

La quantité du CO2 dans l'atmosphère primitive devait être, par conséquent, 26000 fois plus riche en CO2 que l'atmosphère actuelle.

 

C'est hors sujet par rapport au cycle du carbone mais, si on se permet d'appliquer la loi logarithmique donnant le forçage radiatif TOA en fonction de la concentration (ce qui minore sans doute la valeur) le RF (Radiative Forcing) du au CO2 par rapport à la situation présente aurait été de 54.4W/m2.

En appliquant un coefficient de sensibilité climatique de 0.7K.m2/W cela nous donnerait une température de surface plus élevée de 38K (ou 38°C) par rapport à l'actuelle (sans tenir compte des autres GES comme le CH4, le CO,...)

De telles températures élevées ne se sont sans doute pas produites (hormis sans doute en phase d'accrétion) étant donné la faible TSI du soleil de l'époque (70 à75% de l'actuelle).

Si on suppose un albédo identique à l'actuel (pas évident sur les continents) cela fait un forçage négatif de -242*0.3 = -72.6W/m2.

Il faut donc supposer que l'ES (Effet de Serre) était plus fort que cela si on veut éviter une Terre boule de neige dès sa naissance.

 

On reparlera de ce sujet passionnant à un autre moment mais revenons donc à notre cycle géologique.

 

 

41- mécanismes du cycle géologique

 

dans STELLA, on considère que le stock de carbone actif, qui participe au cycle, est de 48 millions de Gt.

 

Le mécanisme fait intervenir 3 réservoirs: l'atmosphère, l'océan et le stock de calcaire (roche principale constituant le stock de carbone de la croûte)

 

fig 73 stella

 



altération (weathering)

 

c'est l'action du CO2 atmosphérique sur les silicates et les calcaires, en présence d'eau liquide.

 

la réaction générale est, pour les silicates:

 

2CO2 + H2O + CaSIO3 <---> 2HCO3- + Ca++ + SiO2

 

pour le silicate olivine c'est par exemple:

 

Mg2SiO4 + 4CO2 + 4H2O ⇌ 2Mg2+ + 4HCO3- + H4SiO4

 

pour les calcaires:

 

CO2 +H2O + CaCO3 <---> 2HCO3- + Ca++

 

on voit tout de suite une différence fondamentale entre les deux réactions puisque le rapport CO2 consommé/HCO3- formé est de 1 pour les silicates et 0.5 pour les calcaires.

 

sédimentation

 

le mélange de réactants arrive par ruissellement via les cours d'eau, dans les océans où il rencontre des organismes calcifiés particulièrement friands de carbonate.

 

La réaction est la suivante:

 

2HCO3- + Ca++  <--->  CaCO3↓ + CO2↑ + H2O

 

Il apparaît clairement que le bilan CO2 réactions d'altération/sédimentation dans les cas des silicates et des calcaires consomme du CO2 dans le cas des silicates mais est nul dans le cas des calcaires.

 

Le "weathering" utilisé dans STELLA sera donc celui des silicates car le seul consommateur de carbone.

 

 

fonte et métamorphisme

 

le calcaire rentre par subduction dans le manteau où il subit fonte et métamorphisme

 

La fin de boucle est donc assurée par la réaction:

 

CaCO3 + SiO2 ---> CO2↑ + CaSiO3

 

Le CO2 dégaze dans l'atmosphère par les volcans ou par les dorsales médio océaniques

 

 

42-modélisation

 

 

Le cycle géologique est figuré ci dessous:

 

fig41

 

 

Deux remarques s'imposent.

 

 

La première c'est l'énormité du réservoir (48 millions de Gt) par rapport à la faiblesse des flux (0.07Gt/an) entre ce réservoir et l'atmosphère.

Le rapport réservoir sur flux, dans le cas géologique, est de 686 millions d'années.

Pour l'océan dans son entier, il est de 527 ans,  pour le puits continental biologique il est de 22 ans et pour l'océan superficiel il est de 12 ans seulement.

Ce rapport réservoir sur flux est égal au temps de renouvellement complet du réservoir si l'on imagine un renouvellement en "piston".

 

 

La seconde, peut-être plus subtile, est que les très faibles flux qui alimentent l'atmosphère dans le cycle géologique sont en fait les entrée/sortie du cycle court dans son ensemble.

Le réservoir de ce cycle court étant de l'ordre de 42000 Gt, un arrêt, complètement hypothétique, de la tectonique des plaques, aboutirait à l'arrêt de l'injection de 0.07Gt/an et donc à l'épuisement des réservoirs court terme en 600000 ans environ.

L'arrêt de toute vie terrestre se serait produit bien avant ce terme...

 

 

Voilà qui clôt cette approche qualitative, avec quelques ordres de grandeur, des cycles carbone.

 

Nous passerons prochainement à une simulation simplifiée de ces cycles, en réponse à une perturbation anthropique.

Par meteor - Publié dans : cycle du carbone - Voir les 5 commentaires
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Commentaires

l'épuisement des réservoirs court terme en 600000 ans environ.

L'arrêt de toute vie terrestre se serait produit bien avant ce terme...
J'avais calculé qu'au bout de 100 000
ans il n'y aurait plus de vie que dans les océans; et dire qu'on a classé le CO2 comme substance dangereuse
Commentaire n°1 posté par the fritz le 24/01/2010 à 23h03
Precambrian era shows that the observed silicon isotope variations imply seawater temperature changes from about 70 °C 3,500 million years ago to about 20 °C 800 million years ago.
A palaeotemperature curve for the Precambrian oceans based on silicon isotopes in cherts
François Robert1 & Marc Chaussidon2
1. Muséum National d'Histoire Naturelle, CNRS LEME NanoAnalyses, UMS 2679, 57 rue Cuvier, 75005 Paris, France
2. Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, CRPG-CNRS BP20, 54501 Vandoeuvre-lès-Nancy, France
Correspondence to: François Robert1 Correspondence and requests for materials should be addressed to F.R. (Email: robert@mnhn.fr) or M.C. (Email: chocho@crpg.cnrs-nancy.fr).
Commentaire n°2 posté par the fritz le 25/01/2010 à 22h39
Peut-être bien ,mais ce n'est pas l'avis de Kasting d'une part et d'autre part des glaciations ont eu lieu relativement tôt dans l'histoire de la Terre comme pendant l'huronien, par exemple.
Oui je rajoute ce texte en français concernant l'article dont tu parles.
C'est intéressant mais cela voudrait dire un ES bien plus puissant que ce qu'on pouvait penser de prime abord.
Réponse de meteor le 26/01/2010 à 09h12
Pas besoin d'effet de serre miraculeux, je pense qu'une atmosphère de 10 bars suffirait et si l'on met tous les carbonates de la croute dans l'atmosphère ce n'est pas 10 bars, mais pas loin de ce qu'il y sur Venus; bon on peut aussi penser que le dégazage du manteau était progressif, mais je fais assez confiance à la géochimie isotopique et aux hommes qui savent s'en servir
Commentaire n°3 posté par the fritz le 26/01/2010 à 11h23
l'ES ce n'est pas miraculeux.
Le flux solaire absorbé de l'époque (-3.5Ga) en admettant un albédo identique à l'actuel, était de 182W/m2.
70°C cela conduit à un flux IR montant de la surface de 784 W/m2.
Entre la surface et la sortie atmosphère cela ferait 600W/m2 absorbés.
Et cela ferait 600W/m2 également arrivant à la surface venant de l'atm.
C'est l'ES dans toute sa splendeur.
C'est un autre mécanisme qui serait miraculeux.
Réponse de meteor le 26/01/2010 à 12h09
Quand même,si c'est pas miraculeux! 182 in, 600 out, cela ressemble beaucoup à la multiplication des petits pains
Commentaire n°4 posté par the fritz le 26/01/2010 à 13h10
ah ben 70°C en surface ça fait 784 W/m2, j'y peux rien.
donc la différence c'est 600W/m2.
Il n'y a rien de miraculeux, c'est de l'énergie solaire accumulée ou retenue.
Réponse de meteor le 26/01/2010 à 13h17
Le jour ou tu concèreras que la surface ce n'est pas l'atmospère, qu'à l'intérieur de l'atmosphère ou plutôt de tout ce qui est chauffé par le soleil, il y a des corps qui absorbent plus ou moins, ce jour là sera le miracle
Commentaire n°5 posté par the fritz le 26/01/2010 à 13h30
je n'ai jamais contesté que l'atmosphère absorbait le rayonnement électromagnétique du soleil.
c'est quoi cette légende?
Lorsque l'on dit que les 180 W/m2 sont absorbés c'est par l'ensemble surface atmosphère.
Plus l'atmosphère est épaisse et plus elle absorbe ce rayonnement.
S'il n'y avait plus de convection due à une atmosphère très chaude la surface serait à la température de la couche plus chaude inférieure.
C'est obligatoire car la chaleur diffuserait depuis cette couche vers la surface qui garderait sa température puisqu'en présence d'une atmosphère trop épaisse.
Mais quelle que soit la couche c'est bien l'ES responsable du surplus de flux par rapport au flux absorbé.
Sinon on l'explique comment, exactement?
Réponse de meteor le 26/01/2010 à 14h29

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