1Le cycle de l’eau est le moteur du cycle des éléments à la surface de la Terre, l’eau étant à la fois le milieu dans lequel se produisent une vaste majorité des réactions biogéochimiques et le moyen de transport des produits d’un réservoir à l’autre (cf. I.4). Il est donc un élément-clé du cycle du carbone* superficiel et joue un rôle majeur dans l’évolution à long terme du climat de notre planète. La présence de l’eau permet la dissolution des minéraux constitutifs des roches silicatées à la surface des continents, dans cet espace appelé « zone critique* », sous l’action du CO₂ atmosphérique dissous. Les cations majeurs issus de cette dissolution, dont le calcium, sont ensuite transportés vers l’océan par les rivières. Une fois dans le milieu marin, les micro-organismes calcifiants s’emparent de ces cations calcium pour former leur coquille de calcite ou d’aragonite, piégeant par cette réaction du carbone d’origine atmosphérique. À leur mort, une partie de ces organismes tombe sur le fond des océans et incorpore le sédiment, où le carbone reste piégé sur des périodes de centaines de millions d’années. Via l’action de l’eau, des éléments chimiques issus de la roche inerte sont donc mis à disposition du vivant pour piéger du carbone atmosphérique. Environ 0,5 milliard de tonnes de carbone passerait ainsi de l’atmosphère aux sédiments marins chaque année.

2À l’échelle humaine, ce flux peut paraître petit, mais il prend tout son sens sur une période de plusieurs millions d’années. Ce processus d’altération des roches continentales est le facteur qui contrôle au premier ordre la quantité de CO₂ atmosphérique au cours de l’histoire géologique de la Terre. Comme ce facteur est lui-même sous le contrôle de la quantité d’eau disponible, il est clairement très important de parvenir à reconstruire le cycle de l’eau passé pour comprendre les fluctuations du climat. À ce jour, trois perturbations majeures du cycle de l’eau et, par conséquent, du climat, sont reconnues.

Une Terre « boule de neige »

3La plus ancienne et la plus dramatique de ces perturbations remonte à la période qui précède l’apparition de la vie multi-cellulaire, il y a environ 650 millions d’années. Premier acte : tout commence par la dislocation du super-continent Rodinia. Ce continent, qui s’est formé il y a 1 milliard d’années, se brise en de multiples fragments le long de l’équateur. Ces fragments continentaux sont alors soumis à une intensification des pluies, car ils sont petits et localisés dans la zone de convergence* inter-tropicale. Cet accroissement de l’eau qui circule à la surface des continents active le pompage de CO₂ atmosphérique par la dissolution des roches à un point tel qu’il plonge la Terre dans une glaciation* globale : la Terre « boule de neige ».

4Second acte : pendant les millions d’années qui suivent cette entrée en glaciation totale, le cycle de l’eau se fige et donc, le cycle des éléments aussi. Les continents sont recouverts par 4 000 m de glace et les océans sont cachés par des banquises de l’ordre d’un kilomètre d’épaisseur. L’eau ne coule plus sur la roche et le pompage de CO₂ par dissolution des roches s’arrête. Mais les volcans continuent à libérer du CO₂ dans l’atmosphère. Au bout de 10 millions d’années, l’arrêt du cycle de l’eau, ou en tout cas son ralentissement extrême, autorise le CO₂ à atteindre des teneurs de plus de 100 000 ppm, 400 fois la quantité préindustrielle. De telles teneurs, combinées au noircissement de la glace par des éruptions volcaniques majeures, vont finalement provoquer le dégel de la Terre.

5Troisième acte : le dégel de ces énormes masses de glace provoque une remontée du niveau marin de 400 m. Les énormes teneurs en CO₂ qui persistent en sortie de glaciation provoquent un effet de serre intense, qui n’est plus compensé par l’effet refroidissant de la blancheur de la glace. Après un cycle de l’eau à son plus bas niveau pendant des millions d’années, celui-ci s’emballe. La quasi-totalité de l’énergie reçue du soleil est utilisée pour évaporer l’eau océanique. Les pluies se déchaînent et la quantité d’eau qui coule sur les roches continentales dépasse de 60 % le niveau actuel. La dissolution des roches répond : en maximum un million d’années, elle absorbe le CO₂ atmosphérique et le transfère dans les sédiments marins. Ces sédiments carbonatés, témoins de ces événements dramatiques, se retrouvent aujourd’hui sur l’ensemble des continents. Leur épaisseur moyenne est de 18 m…

Le développement de la végétation continentale

6La période qui s’étend de 400 à 360 millions d’années (le Dévonien) voit la végétation envahir les continents. Le Dévonien se termine avec le développement rapide de vastes forêts constituées d’arbres pouvant atteindre 10 m de haut. Ces changements biologiques s’accompagnent de changements drastiques du cycle de l’eau : les sols se couvrent de forêts denses et sombres. En réponse, la température monte de près de 3°C, l’évapo-transpiration et les pluies augmentent. Le cycle de l’eau s’accélère sur les continents et l’augmentation du ruissellement qui en résulte provoque une accélération de la dissolution des roches continentales. Résultat : la concentration en CO₂ chute de 4 000 à 2 000 ppmv au cours du Dévonien. Débute une phase de transition étrange : d’une part, la température devient la cause des changements du cycle de l’eau et du CO₂ et d’autre part, le CO₂ s’effondre, mais la température est maintenue par l’assombrissement des surfaces continentales colonisées par les forêts. L’étude du passé nous apprend la variété des mondes.

De la Pangée à aujourd’hui

7Dernier super-continent de l’histoire de la Terre, la Pangée s’assemble il y a environ 290 millions d’années. Sur cette énorme masse continentale, qui s’étend pratiquement d’un pôle à l’autre, un climat très aride se développe, particulièrement sur les vastes contrées situées en son cœur. Cette aridification ralentit la dissolution des roches et le pompage associé de CO₂ atmosphérique. Le CO₂ augmente jusqu’à atteindre plus de 15 fois la valeur pré-industrielle. Il faut attendre la toute fin de l’étage géologique du Trias pour voir la chaudière s’enrayer. Vers 220 millions d’années, sous la poussée des forces internes de la Terre, la Pangée glisse de 10° de latitude vers le nord. La redistribution majeure des pluies qui accompagne ce mouvement entraîne une reprise de la dissolution des roches et une baisse drastique de la quantité de CO₂. Cette régulation tectonique du cycle de l’eau entraîne une dé-acidification des océans suite à la baisse du CO₂ ; elle jouerait un rôle dans l’apparition du nanoplancton calcaire et des coraux modernes, ceux-là mêmes qui sont menacés par l’acidification* actuelle des océans.

Ruissellement continental moyen calculé par plusieurs modèles climatiques sur les 540 derniers millions d’années. Le ruissellement est la lame d’eau qui s’écoule des continents vers les océans (précipitations moins évapotranspiration). La valeur reportée sur le graphique est normalisée à la valeur actuelle. L’aridification liée à l’assemblage de la Pangée est évidente (entre 250 et 180 millions d’années dans le passé)

8Dès 180 millions d’années, la Pangée entame sa dislocation par l’ouverture de l’océan Atlantique. Ces nouvelles sources d’humidité amènent la pluie sur les continents, forçant le climat à évoluer vers un mode de plus en plus froid jusqu’à aujourd’hui.