Variations climatiques passées et actuelles

Reconstituer et comprendre les variations climatiques passées

Il est essentiel de comparer les variations climatiques actuelles avec celles du passé pour en saisir les enjeux.

I. Un constat actuel

Comment mettre en évidence et expliquer les variations climatiques actuelles ?

• Augmentation du CO2 atmosphérique : De 290 ppm en 1850 à environ 370 ppm actuellement.

• Méthode d'étude : L'étude des feuilles de Ginkgo biloba. L'indice stomatique (rapport entre le nombre de stomates et le nombre total de cellules épidermiques) est inversement corrélé à la quantité de CO2 atmosphérique.

• Conséquence : Hausse de la température globale d'environ 1°C en 150 ans, due aux activités humaines (combustibles fossiles, changement d'utilisation des terres) qui perturbent le cycle du carbone.

• Cause reconnue : L'origine humaine du changement climatique est clairement établie, les facteurs naturels ne pouvant expliquer une telle augmentation.

Le réchauffement climatique observé est corrélé à la perturbation du cycle biogéochimique du carbone par l'émission de gaz à effet de serre liés aux activités humaines.

II. Les variations climatiques au Quaternaire (-2,58 Ma à l'actuel)

Quelles traces avons-nous de la dynamique climatique au Quaternaire ?

1. À l'échelle du Quaternaire : Période -120 000 à -11 000 ans

a) Les données paléo-écologiques

• Étude des pollens fossilisés : Par exemple, dominance de pollen de pin (climat froid) avant 10 000 ans, puis de chêne (climat tempéré) après 10 000 ans.

• Conclusion : Les pollens permettent de reconstituer l'évolution de la végétation et, par extension, du climat.

b) Les données préhistoriques et géologiques

• Maximum glaciaire : Atteint il y a 20 000 ans, avec une calotte de glace en Europe du Nord et dans les Alpes, et un niveau marin 120 m plus bas.

• Indices : Peintures pariétales, blocs erratiques, stries glaciaires.

Des données préhistoriques, géologiques et paléo-écologiques attestent d'une glaciation entre -120 000 et -11 000 ans.

2. À l'échelle du Quaternaire : Période des 800 000 dernières années

Le climat du Quaternaire se caractérise par des alternances de périodes froides (glaciaires) et plus douces (interglaciaires).

a) Les témoins des alternances périodes glaciaires / interglaciaires : Thermomètres isotopiques

• Carottes glaciaires : Mesure des proportions d'isotopes de l'oxygène ($<mark>\delta_{18}\mathrm{O}</mark>$) dans l'eau de la glace.

• Principe : Plus il fait froid, plus le $<mark>\delta_{18}\mathrm{O}</mark>$ des précipitations est faible (due au O18 plus lourd).

• Sédiments océaniques : Le $<mark>\delta_{18}\mathrm{O}</mark>$ dans les carbonates permet de reconstituer les températures océaniques au-delà de 800 000 ans. Attention : le $<mark>\delta_{18}\mathrm{O}</mark>$ diminue dans la glace quand la température diminue, et augmente dans les sédiments.

b) Les témoins des alternances périodes glaciaires / interglaciaires : les figures d'érosion glaciaire

• Moraines : Amas de débris rocheux transportés par les glaciers.

• Stries glaciaires et fronts morainiques : Indices des alternances glaciaires/interglaciaires.

Les témoignages glaciaires et les rapports isotopiques de l'oxygène révèlent une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires sur les 800 000 dernières années.

III. Origine des variations climatiques au Quaternaire

Quelles sont les causes des alternances G/IG au Quaternaire ?

a) Les paramètres orbitaux et les alternances G/IG

La théorie astronomique du climat de Milankovic est le modèle admis.

• Variations périodiques des paramètres orbitaux de la Terre :

  • Excentricité : Forme de l'orbite terrestre (cycle de 100 000 ans).

  • Obliquité : Inclinaison de l'axe de rotation terrestre (cycle de 40 000 ans).

  • Précession : Oscillation de l'axe de rotation (cycle de 20 000 ans).

• Impact : Ces variations modifient la répartition de l'énergie solaire reçue, déclenchant les cycles glaciaires.

Les rapports isotopiques montrent des variations cycliques coïncidant avec les variations périodiques des paramètres orbitaux de la Terre.

b) Les boucles de rétroactions

Les paramètres orbitaux sont accompagnés de boucles de rétroactions qui amplifient les changements climatiques.

• Le CO2 :

  • En entrée de glaciation, le refroidissement océanique augmente la solubilité du CO2, diminuant sa teneur atmosphérique.

  • Cela réduit l'effet de serre, entraînant un refroidissement accru, ce qui augmente encore la solubilité du CO2. Boucle amplificatrice du refroidissement.

  • Le phénomène inverse se produit en sortie de glaciation.

• L'albédo :

  • La formation de glace augmente l'albédo terrestre (réflexion de la lumière).

  • Les sols absorbent moins de chaleur, se refroidissent, favorisant l'extension glaciaire. Amplification du refroidissement.

  • Inversement, la fonte des glaces diminue l'albédo, accélérant le réchauffement en sortie de glaciation.

Les paramètres orbitaux modifient la puissance solaire reçue, amplifiée par les boucles de rétroactions (albédo, solubilité océanique du CO2) qui sont à l'origine des entrées et sorties de glaciation.

IV. Étude des paléoclimats

Quelles sont les grandes tendances climatiques reconstituées aujourd'hui au cours des temps géologiques ?

a) Le refroidissement global du Cénozoïque (-65 Ma à l'actuel)

• Indices :

  • Baisse du [CO2] atmosphérique (indices stomatiques).

  • Données géochimiques des sédiments marins montrant une diminution globale des températures depuis 30 Ma.

• Explication :

  • Altération des matériaux continentaux : Notamment suite aux orogénèses du Tertiaire (Alpes, Himalaya), consommant du CO2.

  • Tectonique des plaques : La variation de la position des continents a modifié la circulation océanique. Vers 34 Ma, la séparation de l'Antarctique de l'Amérique du Sud a entraîné la formation d'un courant froid circumpolaire, favorisant le refroidissement et l'installation de la calotte Antarctique.

Au Cénozoïque, un refroidissement global est reconstitué depuis 30 Ma, lié à la baisse du CO2 et aux modifications des courants océaniques.

b) Au Mésozoïque (242-65 Ma), une période chaude au Crétacé

• Indices : Carte géologique mondiale (vitesse d'extension des dorsales), observation des évaporites.

• Explication : Augmentation de l'activité des dorsales, libérant d'importantes quantités de CO2.

Pendant le Crétacé, une hausse des températures est observée, principalement due à l'augmentation de l'activité des dorsales.

c) Le climat au Paléozoïque (-360 à -250 Ma) : l'exemple de la glaciation Carbonifère-Permien

• Indices :

  • Distribution de tillites (roches sédimentaires glaciaires) sur de nombreux continents, témoignant d'une vaste calotte glaciaire au pôle Sud.

  • Présence de charbon, bauxite, et forêts houillères à l'équateur.

• Explication : Forts puits de carbone par altération de la chaîne hercynienne et fossilisation massive de matière organique, entraînant une baisse globale du [CO2] et des températures.

Une importante glaciation a eu lieu au Carbonifère-Permien, avec une baisse globale du CO2 et de la température.