Le rôle de l'activité volcanique dans le changement climatique au cours des millénaires

L'activité volcanique est un moteur fondamental du climat terrestre depuis des milliards d'années, en ce sens que sa composition atmosphérique, ses températures mondiales et son évolution biologique sont façonnées. Alors que les activités humaines dominent maintenant le forçage climatique à court terme, les éruptions volcaniques demeurent un puissant mécanisme naturel capable de produire un refroidissement brutal et un réchauffement progressif sur des échelles de temps allant de mois à millions d'années.

Les éruptions volcaniques injectent un mélange complexe de gaz et de particules dans l'atmosphère. L'ampleur et l'altitude de ces injections déterminent si une éruption réchauffe ou refroidit la planète. Les événements explosifs qui atteignent la stratosphère peuvent modifier le climat mondial pendant des années, tandis que les éruptions effusives affectent principalement les conditions météorologiques régionales.

Comprendre les éruptions volcaniques

Les éruptions volcaniques surviennent lorsque le magma généré dans le manteau terrestre se lève à travers la croûte, entraînée par la flottabilité et la pression du gaz. La nature d'une éruption dépend de la composition du magma, de la teneur volatile et de la géométrie du conduit. Les magmas riches en silice (rhyolitiques, andésitiques) ont tendance à être visqueux et à pièger les gaz, ce qui entraîne des éruptions explosives.

Types d'éruptions volcaniques et leur potentiel climatique

  • Éruptions effusives – Caractérisée par la douce effusion de lave, souvent à partir de fissures ou de volcans de bouclier. Ces éruptions libèrent des gaz (principalement de vapeur d'eau et de CO2) en continu mais à des altitudes relativement basses.
  • Éruptions explosives – Des événements violents qui éjectent des cendres, des pumices et des gaz à haute altitude dans la stratosphère. Les éruptions les plus puissantes, connues sous le nom d'éruptions pliniennes ou ultra-pliniennes, peuvent injecter du dioxyde de soufre (SO2) à des altitudes supérieures à 20 km. Les aérosols sulfates qui en résultent peuvent persister pendant des années, reflétant la lumière du soleil et provoquant un refroidissement mondial.
  • Éruptions phréatomagmatiques – Accrément lorsque le magma interagit avec l'eau, créant de puissantes explosions à vapeur qui peuvent fragmenter le magma en cendres fines. Ces éruptions sont fréquentes dans les milieux subglaciaires ou sous-marins et peuvent injecter des quantités importantes de particules fines dans l'atmosphère.

L'impact climatique de toute éruption dépend de la masse du SO2 libéré, de la hauteur de l'injection et de la latitude [ du volcan. Les éruptions tropicales affectent les deux hémisphères, tandis que les éruptions à haute latitude n'influencent que leur hémisphère respectif. La présence de l'oscillation quasi-biennale et d'autres modes de circulation atmosphérique modifie encore la dispersion des aérosols volcaniques.

Magma et composition en gaz

Lorsque la pression diminue à mesure que le magma augmente, ces gaz exsolent et s'étendent, entraînant la fragmentation et l'éruption. Le rapport entre le soufre et d'autres gaz est essentiel pour le forçage climatique. Alors que les volcans d'arc typiques libèrent environ 1 à 2 Mt de SO2 par année à partir du dégazage quiescent, de grands événements explosifs peuvent libérer des dizaines à des centaines de mégatonnes en une seule journée. L'éruption du mont Pinatubo en 1991 a libéré environ 20 Mt de SO2, causant une chute de température globale d'environ 0,5°C au cours des deux années suivantes.

Effets climatiques à court terme : l'hiver volcanique

Immédiatement après une éruption explosive majeure, le climat peut subir des changements rapides et spectaculaires, connus sous le nom d'hiver volcanique. Ce phénomène est principalement alimenté par des aérosols sulfatés – de minuscules gouttelettes d'acide sulfurique formées lorsque le SO2 réagit avec la vapeur d'eau et les radicaux hydroxyles dans la stratosphère.

Le cycle de vie des aérosols sulfatés

Une fois injectés dans la stratosphère, le SO2 est oxydé en acide sulfurique en quelques semaines. Les aérosols qui en résultent forment une couche de brume persistante qui se propage à l'échelle mondiale par des vents stratosphériques. Leur durée de séjour est généralement de 1 à 3 ans, selon la latitude de l'éruption et la hauteur de l'injection. Les aérosols finissent par croître par la coagulation et la sédimentation et sont enlevés par échange stratosphérique-troposphérique, souvent descendant aux latitudes moyennes au printemps.

Études de cas d'hiver volcanique

  • Mount Tambora (1815) – La plus grande éruption de l'histoire enregistrée, Tambora a éjecté environ 150 km3 de tephra et 60 Mt de SO2. L'année suivante, 1816, est devenue connue comme l'«année sans été» dans l'hémisphère Nord. La neige est tombée en Nouvelle-Angleterre en juin, les récoltes ont échoué en Europe et en Chine, et la famine a été répandue.
  • Krakatoa (1883) – L'éruption cataclysmique de Krakatoa en Indonésie a produit l'un des sons les plus forts jamais enregistrés et injecté environ 30 Mt de SO2 dans la stratosphère. Les températures mondiales ont chuté d'environ 0,4°C pour les cinq prochaines années. Les aérosols ont également produit des couchers de soleil rouges vifs qui ont inspiré la peinture d'Edvard Munch "La Cri".
  • Mount Pinatubo (1991) – Deuxième éruption du XXe siècle, Pinatubo a abaissé les températures mondiales d'environ 0,5°C pendant deux ans. Il a fourni un laboratoire naturel pour tester les modèles climatiques et comprendre le rôle de appauvrissement de l'ozone stratosphérique induit par la chimie hétérogène sur les surfaces des aérosols.

Ces exemples historiques montrent que même une seule éruption importante peut temporairement l'emporter sur le réchauffement anthropique, bien que l'effet soit transitoire. Le refroidissement persiste seulement tant que le nuage d'aérosols reste, généralement de deux à trois ans. Une fois les aérosols clairs, le forçage des gaz à effet de serre des activités humaines reprend sa domination.

Effets à long terme du climat : échelles temporelles millénaires et géologiques

Si les effets à court terme des éruptions individuelles sont dramatiques, l'influence à long terme du volcanisme opère sur des échelles de temps beaucoup plus longues. L'activité volcanique soutenue sur des dizaines de milliers à des millions d'années peut modifier la chimie atmosphérique, la circulation océanique et le cycle du carbone, entraînant des changements climatiques profonds et même des extinctions massives.

Provinces du Basalt inondé et réchauffement planétaire

Les grandes provinces ignées (PLI) sont des accumulations d'énormes volumes de basalte qui ont éclaté sur des intervalles géologiques courts. Les exemples les plus connus sont les Trappes de déccan[ (Inde, ~66 millions d'années) et Trappes de sibérie[ (Russie, ~252 millions d'années).Ces événements ont libéré d'énormes quantités de CO2, de SO2 et d'halogènes sur des centaines de milliers d'années.

Les pièges de Deccan et l'extinction du Crétacé-Paléogène

Les recherches récentes suggèrent que l'exténuation volcanique des Traps de Deccan a provoqué un réchauffement de 2 à 4 °C à la fin du Crétacé, suivi d'une impulsion de refroidissement des aérosols sulfureux. Le stress combiné du volcanisme et de l'impact a probablement poussé les écosystèmes au-dessus du seuil, contribuant à l'extinction massive qui a éliminé les dinosaures non aviaires. Le CO2 libéré par les éruptions de Deccan est estimé à 10 000 à 20 000 gigatons, comparable aux émissions humaines futures dans le cadre de scénarios d'activité.

Les pièges sibériens et l'extinction péri-trissique

Les éruptions de Traps Sibériens ont libéré des quantités massives de CO2, de méthane (des gisements de charbon chauffé) et d'halogènes, ce qui a entraîné un réchauffement climatique extrême de 8 à 10°C, une acidification des océans et une anoxie généralisée. Les effets climatiques ont persisté pendant plusieurs millions d'années, ce qui a retardé la récupération des biotiques.

Volcanisme et cycles glaciaires

Sur les échelles de temps de Milankovitch (41 000 et 100 000 ans), l'activité volcanique peut interagir avec les cycles glaciaires. Le déchargement isostatique pendant la déglaciation réduit la pression sur les chambres magmatiques, pouvant déclencher des éruptions. Inversement, les grandes éruptions peuvent accélérer la glaciation en refroidissant le climat.

Gaz volcaniques et leurs impacts différentiels

Les émissions volcaniques comprennent un mélange complexe de gaz, chacun ayant des effets climatiques distincts. Le forçage climatique net d'une éruption donnée dépend des proportions relatives des agents de réchauffement[ (CO2, H2O) et de refroidissement[ (SO2, H2S) ainsi que de la durée de vie de chaque composé dans l'atmosphère.

Dioxyde de carbone: un gaz à effet de serre persistant

Les volcans émettent du CO2 en continu à partir de gazéifications éruptives et quiescentes. Le flux de CO2 volcanique global est estimé à 100–300 Mt par an, soit moins de 1 % des émissions anthropiques (environ 40 000 Mt par an en 2025). Cependant, pendant les événements de la PLI, les émissions de CO2 peuvent rivaliser ou dépasser les extrants humains modernes.

Dioxyde de soufre et refroidissement par aérosols

Le dioxyde de soufre est l'agent principal de refroidissement climatique des volcans. Son oxydation en aérosols sulfatés crée une brume réfléchissante qui réduit l'énergie solaire atteignant la surface. L'effet net de refroidissement peut être important: l'éruption de Pinatubo a causé un forçage radiatif global d'environ -3 W/m2 pour la première année. Cependant, comme les aérosols sulfatés sont enlevés en quelques années, le refroidissement est temporaire.

Vaporisation d'eau: un gaz à effet de serre à faible teneur en eau mais à faible teneur en eau

Les éruptions volcaniques injectent de grandes quantités de vapeur d'eau dans la stratosphère. Parce que la stratosphère est normalement sèche, cela peut améliorer l'effet de serre. L'impact radiatif de la vapeur d'eau est fort mais de courte durée (semaines à mois) parce qu'elle se condense et tombe. Lors de l'éruption de 2019 de Hunga Tonga-Hunga Haapai, un volume massif de vapeur d'eau (environ 150 Mt) a été injecté dans la stratosphère, ce qui pourrait causer un léger effet de réchauffement qui pourrait durer plusieurs années.

Halogénes et chimie de l'ozone

Ces halogènes peuvent détruire l'ozone stratosphérique, en particulier aux latitudes moyennes. L'éruption de Pinatubo en 1991 a temporairement réduit l'ozone mondial d'environ 5 à 10 %. L'appauvrissement de l'ozone permet à des rayons UV plus nocifs d'atteindre la surface et peut modifier les températures stratosphériques, affectant indirectement les modèles climatiques tels que les tourbillons polaires.

Recherches récentes sur l'activité volcanique et le climat

La surveillance scientifique moderne a grandement amélioré notre compréhension des interactions volcaniques-climat. Des mesures détaillées des émissions de gaz, des observations par satellite des nuages d'aérosols et des modèles climatiques sophistiqués permettent maintenant aux chercheurs de quantifier les impacts d'éruptions même modérées avec une grande précision.

Mont St. Helens (1980)

L'éruption du mont St. Helens en 1980 fut la première éruption majeure étudiée avec des instruments modernes. Elle libéra environ 1 Mt de SO2, une quantité relativement faible par rapport à Pinatubo. L'impact climatique principal était local et de courte durée, mais l'éruption apporta des informations clés sur la dispersion de la masse , la dynamique de la souffle latérale, et le rôle des explosions phréatiques.

Eyjafjallajökull (2010)

L'éruption d'Eyjafjallajökull en Islande en 2010 a produit un panache de cendres qui a perturbé les déplacements aériens européens pendant des semaines. L'impact climatique de l'éruption a été minime en termes de température globale, mais il a démontré comment même une éruption explosive modérée peut affecter les modèles météorologiques régionaux et la circulation atmosphérique[. Les particules de cendres fines ont agi comme des noyaux de condensation de nuages, modifiant les propriétés des nuages et les précipitations sur certaines parties de l'Europe.

Eruptions volcaniques sous-marines

Les éruptions sous-marines injectent des gaz directement dans l'eau de mer, où ils se dissolvent ou forment des panaches hydrothermaux. L'éruption du volcan sous-marin Hugna Tonga-Hunga Haapai en 2021-2022 a été exceptionnelle parce qu'elle a percuté la surface de l'océan et injecté de grandes quantités de vapeur d'eau et de SO2 dans la stratosphère. Le refroidissement résultant du SO2 a été initialement plus faible que prévu parce que la vapeur d'eau l'a partiellement compensé.

Volcan-climat boucles de rétroaction

Les changements climatiques eux-mêmes peuvent influencer l'activité volcanique. La fonte des glaciers et des calottes glaciaires réduisent la pression sur les systèmes de magma sous-jacents, ce qui peut augmenter la fréquence des éruptions dans des régions comme l'Islande et l'Antarctique. Les changements rapides du niveau de la mer peuvent également affecter les champs de stress volcanique.

Conclusion

L'activité volcanique a été une influence persistante et puissante sur le climat terrestre tout au long de l'histoire géologique.Du refroidissement spectaculaire à court terme de l'hiver volcanique au réchauffement progressif causé par les émissions soutenues de CO2 des grandes provinces ignées, le volcanisme démontre la multitude de façons dont les processus naturels peuvent entraîner le changement climatique à des échelles de temps allant des saisons aux ions.

À l'heure actuelle, les émissions anthropiques dépassent de loin les contributions volcaniques à l'atmosphère, mais les grandes éruptions demeurent une carte de l'état qui pourrait temporairement contrecarrer ou intensifier les tendances climatiques humaines. Une surveillance améliorée, une modélisation avancée et des recherches continues sur les événements volcaniques passés sont essentielles pour se préparer à de telles éventualités.

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