Capacité oxidante de l’atmosphère du Cenozoique. Co-évolution avec la vie et le climat – PaleOX

À cette fin, PaleOX tente de concilier méthodologies de pointe de modélisation du climat passé et l'état de l'art de la chimie atmosphérique. Ainsi, de nouvelles représentations de processus naturels conduisant à lémission de composés réactifs vers latmosphère ont été étudiés émissions océaniques et des couplages entre composantes du système climatique mis en place pour obtenir un modèle de système terre efficace pour simuler de longues périodes passées. Un schéma chimique incorporant la chimie des composés halogénés a été développé. En parallèle, des échantillons inédits de gisements dorigine volcaniques vieux de plusieurs millions dannées ont été collectés au Pérou et en Turquie. Une analyse avancée de leur composition isotopique en soufre, azote et oxygène apporte de nouvelles informations sur l'importance des voies d'oxydation atmosphérique passées et montre la pertinence de ces archives pour conserver une information sur plusieurs millions dannées.

L'étude conduite sur des dépôts volcaniques anciens a montré la présence de larges quantités de nitrate. L'étude de ces nitrates a permis de montrer qu'ils résultent principalement de la fixation d'azote atmosphérique par les éclairs produits lors d'éruptions explosives. De nombreux développements ont été menés sur le modèle du système Terre et permettront de mieux caractériser la sensibilité de la chimie atmosphérique aux fluctuations naturelles passées afin dinterroger la gamme de stabilité de la capacité oxydante.

Ce travail a permis de former une nouvelle équipe pluridisciplinaire dont les interactions se poursuivent au travers dautres projets.

Ces travaux ont abouti à cinq publications dans des revues de modélisation, de géochimie et de paléoclimatologies mais également à la formation par et à la recherche de 3 docteurs, Deux publications supplémentaires sont soumises.

Le niveau d'oxygène dans l'atmosphère terrestre est unique dans notre système solaire et reflète la longue histoire de la vie sur Terre. Il conduit également à une chimie oxydante singulière qui régule les teneurs en gaz traces réactifs de l'atmosphère. Même en quantités traces, ces composés réactifs peuvent interagir fortement avec le vivant et le climat. En effet, les variations rapides de certains gaz traces réactifs peuvent avoir été des facteurs clés dans les extinctions massives de la vie du début du phanérozoïque en provoquant de brusques réchauffements climatiques, l'effondrement de la couche d'ozone stratosphérique, ou d’intenses pluies acides. Durant l'ère Cénozoïque (les derniers 66Myrs), les conditions environnementales ont énormément varié mais ces changements, moins abrupts ou plus localisés, ont toutefois permis à la vie de se diversifier de manière continue et ont permis l’évolution des mammifères. Si des changements sont intervenus dans la capacité oxydante atmosphérique durant cette période, ceux ci ont donc été spatialement limités ou d’amplitude modérée. Pourtant, l’ère Cénozoïque recouvre une très grande diversité de conditions environnementales liées à un refroidissement progressif du climat d’une grande amplitude (> 20°C) : depuis un monde très chaud, à très fort effet de serre, permettant une végétation tropicale aux hautes latitudes et des cycles biogéochimiques du carbone et de l’azote très actifs jusqu’au climat glaciaire actuel. Dans des contextes aussi variés, la stabilité de la régulation des temps de vie des composés réactifs par la chimie atmosphérique pose question.

Cette dernière décennie, les observations sur le terrain, en laboratoire et les travaux théoriques ont révélé et de nouveaux mécanismes chimiques impliqués dans les atmosphères vierges, tels que le recyclage des radicaux au sein des forêts ou une nouveau rôle de la chimie des halogènes sur les océans. Cela a changé notre vision de la capacité oxydante de l'atmosphère dans les zones vierges.

Dans PaleOX, nous cherchons à montrer comment la capacité oxydante de l'atmosphère a évolué tout au long de l'ère Cénozoïque et comment cette évolution a affecté la durée de vie des gaz à effet de serre réactifs. A cet effet, PaleOX ambitionne d’étudier la réactivité atmosphérique durant cinq périodes clés du Cénozoïque en faisant le pont entre les méthodologies de modélisation usuelles d’étude des climats passés et l’état de l’art en chimie atmosphérique. Un nouveau modèle de système de la Terre avec, en son cœur, les interactions chimiques propres aux atmosphères vierges sera assemblé pour simuler des manière consistante la composition de l'atmosphère à différentes étapes du Cénozoïque. En parallèle, des prélèvements inédits des dépôts de sulfate volcaniques couplés à des analyses de pointe de leur composition isotopique apporteront de nouvelles informations sur l'intensité des voies d'oxydation atmosphérique passées et permettront de contraindre les analyses numériques.

L’objectif final de ce projet sera de déterminer la façon dont la capacité d'auto-nettoyage de l'atmosphère a évolué au Cénozoïque en tenant compte d’hypothèses relatives à l’évolution de la végétation, des feux et de contraintes climatiques basés sur des proxys variés, disponibles dans la littérature. Les méthodologies de modélisation employées actuellement pour étudier les climats très anciens en négligeant les changements de la chimie réactive pourront être discutées. L’impact de cette évolution sur le bilan radiatif de la Terre et sur les modulations des gradients climatiques sera quantifié et les conditions de surfaces (e.g. UV, concentrations en composés susceptibles d’altérer le fonctionnement des écosystèmes, dépôts acides) seront caractérisés. Les boucles de rétroactions induites par les changements de composition chimique de l’atmosphère pourront être étudiés dans des contextes variés.