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Les scientifiques ont compris depuis des années que les minéraux silicatés réagissent avec le CO2 et de l’eau pour éliminer le CO2 de l’atmosphère, agissant comme un thermostat qui a maintenu le climat de la Terre globalement stable pendant des milliards d’années. Mais quelle est la sensibilité de ce thermostat ? Pour le savoir, les scientifiques doivent étendre les mesures de laboratoire pour les adapter au monde réel, mais il a été impossible de concilier le travail de laboratoire avec les mesures du monde réel effectuées dans les sols et les rivières.
Cette lacune dans notre compréhension a entravé les efforts visant à modéliser le cycle du carbone et le climat à long terme de la Terre, ce qui rend difficile de prédire exactement à quel point l’altération des silicates, à la fois naturelle et artificielle, serait efficace pour éliminer le CO2 de notre atmosphère.
Dans un article de la revue Science, la professeure Susan Brantley et son équipe de la Penn State University ont trouvé un moyen de quantifier la réponse de l’altération des silicates à la température de manière cohérente à toutes les échelles, des mesures en laboratoire et des mesures réelles dans les paysages au monde entier. Ce faisant, ils ont identifié le type de paysage qui a le plus d’influence sur le thermostat de la Terre.
« C’est un effort ambitieux… de synthétiser une grande variété d’études à différentes échelles spatiales et temporelles dans un cadre unique et unificateur », a déclaré le professeur Jeremy Caves Rugenstein de l’Université d’État du Colorado, qui n’a pas participé à l’étude.
Une approche à la base
« Cela m’a toujours vraiment dérangé – nous faisions ces modèles mondiaux, mais je ne pouvais même pas passer d’un flacon [in the lab] au sol dans mon jardin », a déclaré Brantley à Ars.
Il est impossible de reproduire en laboratoire tous les innombrables effets du parcours d’un minéral, du substrat rocheux à la rupture, à la dissolution et à l’interaction avec les plantes, les microbes et les eaux souterraines avant de finalement se jeter dans un océan. « Vous avez tellement de processus qui sont tous couplés que vous vous retrouvez avec une sensibilité à la température différente de celle d’un laboratoire », a déclaré Brantley.
Par conséquent, les scientifiques ne sont pas d’accord sur la sensibilité des intempéries aux changements de température à l’échelle mondiale.
L’équipe de Brantley s’est attaquée au problème en rassemblant un nombre énorme d’observations qu’elle et ses étudiants avaient recueillies au cours de nombreuses années, et ils ont compilé des données à partir de plus de 200 articles publiés. Pour donner un sens aux données, Brantley s’est concentré sur les moteurs et les traceurs les plus importants des réactions aux intempéries à toutes les différentes échelles. « Je pense vraiment qu’en croisant des échelles spatiales et temporelles comme celle-ci, cela vous oblige à réfléchir à ce qui est important », a déclaré Brantley.
Là où d’autres ont tenté d’intensifier les réactions d’altération en utilisant des types de roches, l’équipe de Brantley s’est plutôt concentrée sur le minéral de silicate le plus abondant dans ces roches : le feldspath.
Le feldspath domine les réactions chimiques responsables de l’élimination du CO2 depuis les airs ; ces réactions génèrent également la majeure partie du sodium dissous dans l’eau des rivières (ce qui rend l’eau de mer salée). L’équipe de Brantley a utilisé le sodium comme approximation pour calculer la quantité d’altération des silicates qui se produit dans les bassins hydrographiques du monde entier. Cette configuration a aidé les chercheurs à éviter les problèmes avec d’autres cations générés par l’altération des silicates (principalement le potassium, le calcium et le magnésium), qui sont compliqués par d’autres processus qui utilisent ces éléments.
Ils ont examiné l’étendue des intempéries dans des dizaines de sols couvrant une gamme de températures annuelles moyennes et de précipitations autour de la planète. L’équipe a également utilisé des études antérieures sur la durée d’altération de ces sols; les études se sont appuyées sur le béryllium-10, un isotope généré lorsque les minéraux sont exposés aux rayons cosmiques à la surface de la Terre. Les sols avec beaucoup de béryllium-10 à leur surface sont stables depuis longtemps, ils n’exposent donc pas les minéraux silicatés frais à réagir avec le CO2.
Dans un exercice parallèle, l’équipe s’est penchée sur le sodium produit par l’altération dans une variété de bassins fluviaux dans différentes zones climatiques. Lorsque ces données ont été combinées avec les données du sol, elles ont finalement donné un sens aux décalages entre le laboratoire, différents endroits dans le monde réel et le globe dans son ensemble – unifié par la même équation thermodynamique fondamentale qui régit la façon dont les taux de réaction chimique changent avec température (l’équation d’Arrhenius).
« Ce qui me surprend, c’est que vous puissiez le faire correspondre à ces différentes échelles spatiales. Il faut juste beaucoup de réflexion pour le faire », a déclaré Brantley.