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) = 70.4.2 10⁵  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)

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:

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.