D’anciennes bulles d’air piégées dans la glace de l’Antarctique indiquent la cause du déclin de l’oxygène

Yuzhen Yan en Antarctique en décembre 2015. Crédit : Yuzhen Yan

L’érosion glaciaire a probablement fait chuter les niveaux d’oxygène atmosphérique au cours des 800 000 dernières années.

Un coupable inconnu a retiré l’oxygène de notre atmosphère depuis au moins 800 000 ans, et une analyse des bulles d’air préservées dans la glace de l’Antarctique depuis jusqu’à 1,5 million d’années a révélé le suspect probable.

“Nous savons que les niveaux d’oxygène atmosphérique ont commencé à diminuer légèrement à la fin du Pléistocène, et il semble que les glaciers aient quelque chose à voir avec cela”, a déclaré Yuzhen Yan de l’Université Rice, auteur correspondant de l’étude géochimique publiée dans Science Advances. “La glaciation est devenue plus expansive et plus intense à peu près à la même époque, et le simple fait qu’il y ait un broyage glaciaire augmente l’altération.”

L’altération désigne les processus physiques et chimiques qui décomposent les roches et les minéraux, et l’oxydation des métaux est parmi les plus importants. La rouille du fer en est un exemple. L’oxyde de fer rougeâtre se forme rapidement sur les surfaces de fer exposées à l’oxygène atmosphérique, ou O2.

“Lorsque vous exposez à l’O2 des surfaces cristallines fraîches provenant du réservoir sédimentaire, vous obtenez une altération qui consomme de l’oxygène”, a déclaré Yan, associé de recherche postdoctorale au département des sciences de la Terre, de l’environnement et des planètes de Rice.

Selon Yan, les glaciers pourraient également favoriser la consommation d’oxygène atmosphérique en exposant le carbone organique qui a été enterré pendant des millions d’années.

Des chercheurs ont étudié l’ancienne atmosphère de la Terre en capturant de minuscules bulles d’air conservées dans la glace de l’Antarctique pendant 1,5 million d’années. Crédit : Yuzhen Yan

Au cours de son doctorat, Yuzhen Yan a travaillé dans les laboratoires de l’Institut de recherche de l’Académie des sciences. l’Université de PrincetonMichael Bender et John Higgins de l’Université de Princeton, Yan a travaillé sur une étude de 2016 dirigée par Daniel Stolper, aujourd’hui professeur adjoint à l’Université de Princeton. Université de Californie, Berkeleyqui a utilisé bulles d’air dans les carottes de glace pour montrer que la proportion d’oxygène dans l’atmosphère terrestre avait diminué d’environ 0,2 % au cours des 800 000 dernières années.

Dans l’étude de Science Advances, Yan, Higgins et leurs collègues de l’Université d’État de l’Oregon, de l’Université du Maine et de l’Université de Californie, San Diego, ont analysé des bulles dans des carottes de glace plus anciennes pour montrer que la baisse de l’oxygène a commencé après que la durée des cycles glaciaires de la Terre ait plus que doublé il y a environ 1 million d’années.

L’ère glaciaire dans laquelle se trouve la Terre aujourd’hui a commencé il y a environ 2,7 millions d’années. Des dizaines de cycles glaciaires ont suivi. Dans chacun d’entre eux, les calottes glaciaires ont alternativement augmenté, couvrant jusqu’à un tiers de la planète, puis se sont retirées vers les pôles. Chaque cycle a duré environ 40 000 ans jusqu’à il y a environ 1 million d’années. A peu près au même moment où l’oxygène atmosphérique a commencé à diminuer, les cycles glaciaires ont commencé à durer environ 100 000 ans.

“La raison de ce déclin est que le taux d’O2 produit est inférieur au taux d’O2 consommé”, a déclaré Yan. “C’est ce que nous appelons la source et le puits. La source est ce qui produit l’O2, et le puits est ce qui consomme ou entraîne l’O2. Dans l’étude, nous interprétons le déclin comme un entraînement plus fort de l’O2, ce qui signifie qu’une plus grande quantité est consommée.”

Une mission de forage scientifique à Allan Hills, en Antarctique de l’Est, en 2015-16, a permis d’obtenir des carottes de glace avec des bulles d’air ancien piégées, dont certaines antérieures à la période glaciaire qui a débuté il y a 2,7 millions d’années. Crédit : Yuzhen Yan

Yan a déclaré que la biosphère de la Terre n’a pas contribué à ce déclin car elle est équilibrée, tirant autant d’O2 de l’atmosphère qu’elle en produit. La météorisation, à l’échelle mondiale, est le processus géologique le plus susceptible de consommer suffisamment d’O2 en excès pour expliquer le déclin, et Yan et ses collègues ont envisagé deux scénarios d’augmentation de la météorisation.

Le niveau mondial des mers diminue lorsque les glaciers avancent et augmente lorsqu’ils reculent. Lorsque la durée des cycles glaciaires a plus que doublé, l’ampleur des variations du niveau de la mer a également augmenté. Avec l’avancée des côtes, les terres auparavant recouvertes d’eau ont été exposées au pouvoir oxydant de l’O2 atmosphérique.

“Nous avons fait quelques calculs pour voir quelle quantité d’oxygène cela pouvait consommer et nous avons constaté que cela ne pouvait expliquer qu’un quart environ de la baisse observée”, a déclaré Yan.

L’étendue de la couverture de glace n’étant pas connue avec précision pour chaque cycle glaciaire, l’incertitude est plus grande quant à l’ampleur de l’altération chimique due à l’érosion glaciaire. Mais Yan a déclaré que les preuves suggèrent qu’ellepourrait aspirer assez d’oxygène pour expliquer le déclin.

“À l’échelle mondiale, c’est très difficile à déterminer”, a-t-il déclaré. “Mais nous avons effectué des tests pour savoir quelle quantité d’altération supplémentaire serait nécessaire pour expliquer la baisse d’oxygène, et ce n’est pas déraisonnable. Théoriquement, cela pourrait expliquer l’ampleur de ce qui a été observé. “

Référence : “Ice core evidence for atmospheric oxygen decline since the Mid-Pleistocene transition” par Yuzhen Yan, Edward J. Brook, Andrei V. Kurbatov, Jeffrey P. Severinghaus et John A. Higgins, 15 décembre 2021, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.abj9341

Les autres co-auteurs sont Edward Brook de l’Oregon State, Andrei Kurbatov de l’Université du Maine et Jeffrey Severinghaus de l’UC San Diego. Ces recherches ont été soutenues par la National Science Foundation (1443263, 1443276, 1443306, 0538630, 0944343, 1043681 et 1559691) et par une bourse postdoctorale Poh-Hsi Pan de l’université Rice.