Environnement

Connaîtrons-nous un monde sans glace ?

Il y a 56 millions d’années, un afflux de carbone dans l’atmosphère fit monter en flèche les températures mondiales. En un clin d’œil géologique, la vie changea à jamais. Ce phénomène pourrait se reproduire dans un futur proche.

De Robert Kunzig

Le monde était différent quand la planète connut sa précédente poussée de fièvre, voilà environ 56 millions d’années. L’océan Atlantique ne s’était pas encore ouvert totalement. Les animaux – dont, peut-être, nos ancêtres primates – pouvaient marcher de l’Asie à l’Amérique du Nord via l’Europe et le Groenland sans croiser le moindre bloc de glace.

Et, même avant cette hausse de la température, la Terre était déjà bien plus chaude qu’aujourd’hui. Cependant, tandis que le Paléocène laissait place à l’Éocène, elle allait devenir encore beaucoup plus chaude.

La cause : une émission de carbone massive et, à l’échelle des temps géologiques, brutale. Quelle quantité de carbone fut rejetée dans l’atmosphère lors du maximum thermique du Paléocène-Éocène (ou PETM, d’après l’acronyme anglais), comme les scientifiques nomment cette période de fièvre ?

Ils ne le savent pas exactement mais estiment que nous en dégagerions à peu près autant en brûlant toutes les réserves supposées de charbon, de pétrole et de gaz naturel de la planète.

Le PETM dura plus de 150 000 ans, jusqu’à ce que le carbone excédentaire fût réabsorbé. Il provoqua des sécheresses, des inondations, des invasions d’insectes et quelques extinctions d’espèces. La vie sur la Terre continua – en fait, elle prospéra –, mais fut totalement différente. Aujourd’hui, les conséquences sur l’évolution de ce lointain pic de carbone nous entourent. Nous en faisons même partie ! Et nous reproduisons maintenant nous-mêmes l’expérience.

Le PETM est un « précédent de la situation actuelle, une illustration de ce que nous faisons en jouant avec l’atmosphère, explique Philip Gingerich, paléontologue des vertébrés à l’université du Michigan. Nous déclenchons quelque chose qui nous échappe et qui mettra une centaine de milliers d’années pour se rééquilibrer. »

Gingerich et ses confrères ont découvert le bouleversement que l’évolution connut à la fin du Paléocène bien avant que l’on en attribue la cause au carbone. Il recherche des fossiles de cette période depuis quarante ans dans le bassin de la Bighorn, un plateau aride de 160 km de long, dans le Wyoming, à l’est du parc national de Yellowstone. Le plus souvent, il creuse dans les flancs de Polecat Bench, une mesa longue et étroite saillant dans le nord du bassin.

Un après-midi d’été, dans le vieux 4×4 de Gingerich, nous grimpons par une piste jusqu’au sommet du plateau, puis continuons jusqu’à son extrémité méridionale. Belle vue sur les champs irrigués et les puits de pétrole alentour. Lors des récentes périodes glaciaires, précise-t-il, Polecat Bench était le lit de la rivière Shoshone, qui l’a recouvert de galets.

Puis la rivière a dévié vers l’est pour serpenter à travers les sédiments plus mous et plus anciens du bassin de la Bighorn. Au fil des millénaires, les vents d’hiver et les pluies torrentielles de l’été ont sculpté les flancs de la mesa en bad-lands accidentées, exposant un mille-feuilles de sédiments. Ceux du PETM apparaissent à l’extrémité sud du plateau.

C’est là que Gingerich a constaté une explosion des mammifères. À mi-pente, une bande sédimentaire rouge, d’une trentaine de mètres d’épaisseur, suit le contour des plis et des ravines. Gingerich y a découvert des fossiles des plus anciens mammifères ongulés dotés d’un nombre de doigts pair comme impair, et de véritables primates – c’est-à-dire les premiers membres des ordres incluant aujourd’hui, pour l’un, les chevaux et les vaches, pour l’autre, les humains.

Des fossiles similaires ont été exhumés depuis en Asie et en Europe. Ils apparaissent partout, comme par enchantement. Neuf millions d’années après qu’un astéroïde heurtait la péninsule du Yucatán, déclenchant un cataclysme dont les scientifiques s’accordent aujourd’hui à penser qu’il élimina les dinosaures, la Terre semble avoir subi un nouveau choc.

Vingt ans durant, Gingerich s’est acharné à recueillir des données sur la transition Paléocène-Éocène. La plupart des chercheurs la considéraient alors simplement comme une période où un ensemble de fossiles cédait la place à un autre. Puis, en 1991, ils ont commencé à changer de point de vue.

Deux océanographes, James Kennett et Lowell Stott, ont analysé des isotopes de carbone (des formes différentes de l’atome de carbone) d’une carotte de sédiments extraite du plancher de l’Atlantique, près de l’Antarctique.

À l’exacte limite entre le Paléocène et l’Éocène, ils ont constaté un bouleversement du ratio d’isotopes dans les fossiles de minus- cules organismes dits foraminifères. Preuve qu’une énorme quantité de carbone nouveau avait envahi l’océan en seulement quelques siècles. Il aurait également gagné l’atmosphère où, sous la forme de dioxyde de carbone, il aurait retenu la chaleur du soleil et réchauffé la planète.

Les isotopes d’oxygène présents dans les foraminifères indiquaient que l’océan tout entier s’était réchauffé, de la surface à la vase du fond, là où vivaient la plupart de ces micro-organismes.

Au début des années 1990, les mêmes indices d’une convulsion planétaire ont commencé à apparaître à Polecat Bench. Deux jeunes chercheurs, Paul Koch, de la Carnegie Institution, et James Zachos, alors à l’université du Michigan, ont extrait des petites mottes de terre, riches en carbonate, de chaque couche de sédiments.

Ils ont aussi récolté des dents d’un mammifère primitif, Phenacodus. En analysant les taux d’isotopes de carbone présents dans la terre et l’émail dentaire, ils ont retrouvé le même pic de carbone que celui observé chez les foraminifères.

Le doute n’était plus permis : le PETM correspondait à un épisode de réchauffement planétaire, qui affecta d’obscurs organismes marins comme de gros animaux terrestres. Et les scientifiques pouvaient utiliser le pic de carbone – signe révélateur d’une émission mondiale de gaz à effet de serre – pour identifier le PETM dans les roches du monde entier.

D’où tout ce carbone venait-il ? Nous connaissons la source de l’excès de carbone déversé de nos jours dans l’atmosphère : nous-mêmes. Mais, voilà quelque 56 millions d’années, l’homme n’existait pas. De multiples causes du pic de carbone du PETM ont été avancées. Et, étant donné la quantité de carbone, il y en eut sans doute plusieurs.

À la fin du Paléocène, l’Europe et le Groenland se séparaient, et ouvraient l’Atlantique Nord. D’où de gigantesques éruptions volcaniques. Celles-ci ont pu faire s’évaporer le dioxyde de carbone contenu dans les sédiments organiques du fond de l’océan, mais sans doute pas assez vite pour expliquer les pics d’isotopes.

Des feux ont pu brûler les dépôts de tourbe du Paléocène, bien que l’on n’ait pas retrouvé, à ce jour, de trace de suie dans les carottes de sédiments. Une comète géante s’écrasant sur des rochers de carbonate aurait aussi pu libérer très rapidement une grande quantité de carbone, mais nous n’avons pas encore la preuve directe d’un tel impact.

L’hypothèse la plus ancienne reste la plus prisée : une grande partie du carbone provenait de vastes gisements d’hydrate de méthane.

Ce composé singulier, proche de la glace, est constitué de molécules d’eau formant une cage autour d’une molécule de méthane. Les hydrates ne sont stables que dans une étroite fourchette de températures froides et de hautes pressions. On en trouve actuellement d’importants gisements sous la toundra arctique, sous le plancher océanique et sous les pentes qui relient les plateaux continentaux aux plaines abyssales.

Au PETM, un premier réchauffement – peut- être déclenché par des volcans ou par de légères variations de l’orbite de la Terre ayant davantage exposé certaines parties à la lumière solaire – a pu faire fondre les hydrates, permettant aux molécules de méthane de s’échapper de leurs cages et de rejoindre l’atmosphère.

Cette hypothèse est inquiétante. Le méthane émis dans l’atmosphère réchauffe la Terre vingt fois plus par molécule que ne le fait le dioxyde de carbone ; une ou deux décennies plus tard, il s’oxyde en CO2 et contribue pendant longtemps à la hausse de la température.

 

Nombre de scientifiques pensent qu’un scénario de ce type pourrait bien se reproduire aujourd’hui: le réchauffement provoqué par la combustion des carburants fossiles pourrait provoquer un dégagement incontrôlé de méthane issu des profondeurs océaniques et des terres gelées du Nord.

Koch et Zachos ont conclu des données recueillies que le PETM avait élevé la température moyenne dans le bassin de la Bighorn de 5 °C environ. Soit plus que le réchauffement qui s’y est produit depuis la dernière période glaciaire.

Et aussi un peu plus que les prévisions des modèles climatiques pour le XXIe siècle. Mais pas plus que ceux-ci ne prédisent pour les siècles suivants si l’homme continue de brûler les énergies fossiles. Les modèles pronostiquent en outre de graves perturbations dans la distribution planétaire des précipitations, y compris pour ce siècle, surtout dans les régions subtropicales.

Mais comment tester ces modèles ? « Nous ne pouvons pas attendre cent ou deux cents ans pour voir le résultat, souligne le géologue suédois Birger Schmitz, qui en a passé dix à étudier les roches de cette période de réchauffement dans les Pyrénées espagnoles. C’est ce qui rend l’histoire du PETM si intéressante. On voit ce résultat. On voit ce qui s’est vraiment passé. »

Ce qui se passa dans le Bighorn fut une réorganisation de la vie à grande échelle. Paléobotaniste au Smithsonian National Museum of Natural History, Scott Wing récolte des feuilles fossiles dans le Bighorn depuis trente-six étés.

« J’ai cherché pendant près de dix ans un dépôt fossile comme celui-ci », explique- t-il, assis à flanc de coteau, à l’ouest des montagnes du Bighorn. Nous tapons au marteau sur les roches d’une tranchée creusée par les assistants de Wing.

Sur des pentes, au loin, nous distinguons les rayures rouges horizontales bien nettes, entrecoupées de gris et de jaune, indiquant que cette terre date du PETM.

En contrebas, une pompe à pétrole balance sa « tête de cheval » sans bruit ; une demi-douzaine d’autres sont visibles du haut de la colline. Dans les silences intermittents de notre conversation, seuls nous parviennent la musique des marteaux – des coups étouffés, comme le tintement d’un diapason résonnant au loin – et des craquements quand la roche cède.

En tapant sur un rocher avec assez d’obstination, il se brise le long de la séparation de deux couches de terre. Il expose alors parfois une feuille conservée si parfaite- ment que, avec la loupe de Wing, on peut y discerner les traces laissées par des insectes rongeurs il y a 56 millions d’années.

Quand le paléobotaniste a découvert son premier dépôt de feuilles datant du PETM, il l’a su aussitôt : « Il y avait un grand nombre de plantes que je n’avais jamais vues. » Les fossiles déjà récoltés montraient que, avant et après le réchauffement, une forêt dense de bouleaux, sycomores, méta-séquoias, palmiers et arbres à feuillage persistant rappelant le magnolia recouvrait le bassin de la Bighorn. Au Paléocène comme à l’Éocène, celui-ci était pareil au nord de la Floride actuel.

Mais Wing a découvert que, au plus fort du PETM, le paysage se transforma radicalement. Il devint plus sec et dégagé selon la saison, comme les forêts tropicales sèches d’Amérique centrale. Tandis que la planète se réchauffait, de nouvelles espèces de plantes migrèrent rapidement vers le bassin depuis le sud – d’aussi loin que les côtes du golfe du Mexique.

Un grand nombre d’entre elles étaient des haricots – pas les variétés potagères, mais des arbres de la même famille, proches des mimosas modernes. Et la plupart avaient été envahies par les insectes.

Wing et sa collègue Ellen Currano, de l’université Miami (Ohio), ont examiné des centaines de feuilles fossiles. Près de six sur dix présentent des rainures ou des trous dus à des insectes. La chaleur a pu stimuler le métabolisme de ces derniers, les poussant à manger et à se reproduire davantage.

Ou le dioxyde de carbone supplémentaire a pu avoir des effets directs sur les plantes : quand on injecte du CO2 dans des serres, les plantes poussent mieux, mais leur contenu en protéines est plus faible, ce qui rend leurs feuilles moins nutritives. La même chose se déroula peut-être dans la serre chaude qu’était le monde au PETM : les insectes devaient peut-être manger beaucoup de feuillage pour se rassasier.

Les feuilles du PETM mâchées par les insectes étaient aussi nettement plus petites que celles de leurs ancêtres du Paléocène. Car, précise Wing, les précipitations avaient chuté d’environ 40 %.

Cela permit au sol de sécher tous les ans ; le fer qu’il contenait s’oxyda et prit une teinte rouille. Ces sols secs de façon saisonnière devinrent les larges bandes qui zèbrent à présent les coteaux. Puis, au plus fort du PETM, les couches rouges disparurent.

Non pas à cause d’une humidité accrue du climat, explique Wing, mais les chutes de pluie furent plus concentrées, comme la mousson. Les cours d’eau du bassin débordaient sans cesse, inondant la campagne et emportant la terre avant qu’elle ne s’entasse.

D’autres traces de crues exceptionnelles survenues lors du PETM ont été décelées dans l’est des Pyrénées. Birger Schmitz, avec Victoriano Pujalte, de l’université du Pays basque à Bilbao, a identifié le pic de carbone caractéristique à la base d’une formation rocheuse. Celle-ci, perchée à présent dans la montagne, devait à l’époque se trouver sur une plaine côtière.

Un champ de grosses pierres avait été arraché aux montagnes naissantes et rejeté sur une plaine inondable qui, selon les scientifiques, s’étendait sur des milliers de kilomètres carrés.

Certaines pierres mesuraient un demi-mètre de diamètre : seuls des cours d’eau extrêmement violents auraient pu les déplacer. Déposés au fil des siècles par les rivières en crue, ces rochers sont comme les empreintes fossiles du niveau d’énergie associé à l’effet de serre atmosphérique.

Tandis que des arbres à haricots colonisaient le Bighorn, Apectodinium envahissait tout l’océan. L’espèce est une forme disparue de dinoflagellé – du plancton unicellulaire. L’hiver, les cellules d’Apectodinium se retiraient dans des kystes durs, qui tombaient au fond de la mer.

Au printemps, un volet s’ouvrait sur chaque kyste ; la cellule sortait et remontait à la surface, laissant le kyste vide. Or, Henk Brinkhuis, de l’université d’Utrecht, et son collègue Appy Sluijs ne trouvent des kystes d’Apectodinium que dans les régions subtropicales avant le PETM. Lors du PETM, ils en dénichent dans le monde entier.

L’océan se réchauffait donc partout. La température estivale de l’océan Arctique au Paléocène était déjà d’environ 18 °C ; lors du PETM, elle atteignit environ 23 °C. Aujourd’hui, l’eau des profondeurs océaniques est à peine au-dessus de 0 °C ; lors du PETM, elle dépassait les 10 °C.

L’océan absorbant le dioxyde de carbone qui réchauffait la planète, l’eau s’acidifia aussi – tout comme elle le fera lors du prochain siècle avec la remontée des niveaux de CO2. Les sédiments du fond des océans le confirment. Le PETM y est aussi visible que les zébrures du bassin de la Bighorn.

Durant cet épisode, le carbonate de calcium fut dissous par l’océan acidifié. L’épilogue attendu : anéantissement d’innombrables formes de vie et dissolution des coquilles des coraux, des palourdes et des foraminifères – un scénario que nombre de scientifiques envisagent pour le XXIe siècle. Or le PETM est déconcertant.

Les récifs coralliens de la Téthys, l’océan précurseur de la Méditerranée qui occupait le Moyen-Orient actuel, souffrirent apparemment beaucoup. Mais l’unique extinction de masse du PETM qui a été étudiée a de quoi surprendre : elle frappa pas moins de la moitié des espèces de foraminifères vivant dans la vase du fond.

C’étaient pourtant des espèces cosmopolites, adaptées à une grande diversité de conditions de vie et qui auraient dû pouvoir affronter tout ce que le PETM leur infligeait.

Vu le taux d’acidification de l’océan, Zachos et ses collègues estiment qu’un premier afflux de quelque 3 billions de tonnes de carbone envahit l’atmosphère, puis que 1,5 billion de tonnes supplémentaire fut libéré plus graduellement.

Soit 4,5 billions de tonnes : la même quantité de carbone que les gisements de combustibles fossiles contiendraient aujourd’hui. Le premier afflux correspond à environ trois siècles d’émissions d’origine humaine au rythme actuel. Même si les données restent difficiles à interpréter, la plupart des scientifiques pensent que la libération de carbone lors du PETM s’étala sur des millénaires.

L’élimination de ce carbone prit sûrement bien plus de temps. La dissolution des carbonates des fonds océaniques contrecarrant l’acidification, l’océan put absorber davantage de CO2. Quelques siècles ou millénaires après le brutal afflux, le pic de CO2 dans l’atmosphère était passé.

La pluie en éliminait le surplus de CO2 et emportait le calcium des roches, qui se retrouva sous forme de calcaire au fond de la mer. Ce processus, permanent, s’accéléra lors du PETM, car il faisait plus chaud et les précipitations étaient plus acides. Peu à peu, le climat redevint tel qu’il était avant.

« C’est comme de nos jours avec les combustibles fossiles, affirme Zachos. Nous utilisons ce qui a mis des millions d’années à s’accumuler et le rejetons en un instant géologique. Le système finira par le remettre dans la roche, mais cela demandera des centaines de millénaires. »

Que se produira-t-il si l’homme brûle tous les gisements de combustibles fossiles ? Matt Huber, modéliste du climat à l’université de Purdue, a tenté de le prévoir. Conçu par le National Center for Atmospheric Research (Colorado), le modèle climatique qu’il utilise est l’un des moins sensibles au dioxyde de carbone.

Il obtient pourtant des températures infernales. Dans ce qu’il appelle son « hypothèse la plus probable de mauvais scénario », le climat des régions où vit à présent la moitié de l’humanité devient quasi insupportable.

Dans une grande partie de la Chine, de l’Inde, du sud de l’Europe et des États-Unis, les températures estivales moyennes dépasseraient 37 °C. Même la nuit.

Les climatologues évoquent rarement ces sinistres prévisions à long terme, note Huber, en partie parce que les sceptiques, exagérant les incertitudes scientifiques, les accusent sans cesse d’alarmisme : « Au fond, nous avons essayé de nous autocensurer. Quand nous voyons quelque chose de vraiment mauvais, nous avons tendance à n’en rien dire. Les hypothèses moyennes sont en réalité bien pires que les gens ne le pensent. »

Lors du PETM, la chaleur a chassé les espèces tropicales vers les pôles ; les espèces animales et végétales de tous les continents ont pu traverser les isthmes et se mélanger. Des ongulés coureurs, ancêtres des chevaux et des cerfs, sont arrivés dans le Bighorn.

Un peu plus tard, peut-être quand le climat redevint plus humide et que la canopée commença à se refermer sur le paysage plus dégagé qui avait été favorable aux coureurs, les premiers véritables primates apparurent.

Les êtres humains et tous les primates actuels descendent d’un primate du PETM. Les périssodactyles – chevaux, chameaux, rhinocéros… –, comme les artiodactyles ruminants – moutons, cerfs, vaches… –, viennent d’ancêtres du PETM.

Les espèces qui apparurent tout à coup dans le bassin de la Bighorn ont pu migrer d’Asie, où l’on a découvert des spécimens fossiles légère- ment plus vieux que ceux du Bighorn. Si elles ont dû avoir des ancêtres dans le Paléocène, jusqu’ici, on n’en a pas retrouvé de fossiles.

Un phénomène étrange affecta certains mammifères lors du PETM : ils rétrécirent. Des chevaux du Bighorn devinrent aussi petits que des chats siamois. Et quand le carbone diminua dans l’atmosphère, ils se remirent à grandir. On ne sait pas très bien si c’est la chaleur ou le CO2 qui les firent rapetisser.

Mais la leçon à en tirer, pour Gingerich, est que les animaux peuvent évoluer rapidement dans un environnement changeant. Quand il s’est rendu pour la première fois dans le Bighorn, il y a quarante ans, c’était justement pour comprendre d’où venaient les chevaux et les primates.

Il pense désormais qu’ils venaient, comme les artiodactyles, du PETM, et que ces trois ordres de mammifères modernes acquirent leurs caractères distinctifs à ce moment-là, lors d’une poussée évolutionniste mue par le rejet massif de carbone dans l’atmosphère.

56 millions d’années plus tard, ce sont les primates, gros comme des souris ou des lapins lors du PETM, qui mènent la danse. Ils ont apprivoisé d’autres animaux descendants de cette époque et ont colonisé avec eux toute la planète. Ils ont dépassé l’agriculture pour adopter un mode de vie alimenté par des combustibles fossiles.

La combustion de ces énergies a dégagé plus de 300 milliards de tonnes de carbone depuis le XVIIIe siècle, soit sans doute moins d’un dixième de ce qui reste dans le sol ou de ce qui a été rejeté lors du PETM.

Cet épisode ne nous dit pas ce qui adviendra à la vie sur la Terre si nous choisissons de brûler le reste. Peut-être une poussée d’innovation évolutionniste ; peut-être, avec les autres pressions pesant sur les espèces, des extinctions massives. Mais le PETM nous donne une idée des conséquences de ce choix à long terme.

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