Climats actuels et passés : analyse et évolutions

CLIMATS ACTUELS ET CLIMATS PASSÉS

Cette note explore la dynamique des climats terrestres, des conditions actuelles aux changements passés, en s'appuyant sur des définitions précises, des méthodes d'étude variées et l'analyse des facteurs influençant ces variations.

I. Introduction et Définitions

Le terme climat, dérivé du latin "clima" et du grec "klima" signifiant "inclinaison de la Terre", désigne la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps spécifique (mois, année).

• Météorologie : Étudie la formation et l'évolution des phénomènes atmosphériques tels que les nuages, les vents, les précipitations, les dépressions et les anticyclones. Elle fait appel à la mécanique des fluides appliquée à l'air, ainsi qu'aux sciences physiques, chimiques et mathématiques.

• Climatologie : Étudie l'évolution des conditions météorologiques sur des laps de temps plus ou moins longs (échelle humaine). Cela inclut des périodes historiques avec des chroniques et des collectes de données. En France, les données météorologiques sont collectées depuis la fin du XIXème siècle.

• Paléoclimatologie : Étudie les climats des temps géologiques, sur des milliers ou millions d'années. Elle utilise diverses archives climatiques (roches, sols, glaces) et des indicateurs climatiques (proxies) pour reconstituer les climats passés.

Collecte de données météorologiques et satellitaires

• Les premières stations d'enregistrements instrumentaux datent de 1887 (Observatoire météorologique du Mont Aigoual).

• Le réseau RADOME (Réseau d'Acquisition de Données et d'Observations Météorologiques Étendu) de Météo-France comprend 554 stations mesurant la température, l'humidité, la pluviométrie, le vent et le rayonnement sur tout le territoire métropolitain.

• Depuis 1960, les observations satellitaires complètent ces données, offrant des cartographies des masses nuageuses, des zones de gel, des températures de surface et des vents, via des satellites géostationnaires et défilants.

• Les données collectées incluent la température de l'air, les précipitations, le vent, l'humidité, l'évapotranspiration, la pression atmosphérique et les radiations solaires.

Limite entre Climatologie et Paléoclimatologie

• Les enregistrements instrumentaux directs et continus des paramètres climatiques, disponibles depuis environ 200 ans, relèvent de la climatologie.

• Avant le XIXème siècle, en l'absence d'enregistrements continus, la paléoclimatologie utilise des sources indirectes pour reconstruire les données climatiques.

• Bien que la climatologie fournisse une connaissance approfondie des climats actuels, la paléoclimatologie est essentielle pour comprendre les variations climatiques sur de longues échelles de temps et développer des modèles prédictifs pour le futur.

II. Les Climats Actuels

La répartition spatiale des climats est fonction des paramètres du bilan énergétique, tels que le rayonnement solaire absorbé, l'albédo, les déséquilibres énergétiques et le bilan radiatif. Les circulations atmosphériques et océaniques jouent un rôle crucial dans le transfert d'énergie.

II.1 Cartographie et Caractéristiques des Zones Climatiques

La classification climatique de W. Köppen se base sur l'hypothèse que la végétation naturelle est un excellent traceur du climat. Elle prend en compte la température et les précipitations (moyennes annuelles et mensuelles), ainsi que leurs variations saisonnières. Il existe 5 groupes climatiques principaux, subdivisés en plusieurs types ou sous-types :

• A - Climats tropicaux : Températures moyennes élevées (> 18°C), pas d'hiver, fortes précipitations. Exemple : Kisangani (forêt humide équatoriale).

• B - Climats secs ou arides : Précipitations inférieures à l'évaporation et à l'évapotranspiration. Exemple : Assouan (aride, chaud).

• C - Climats tempérés : Mois le plus chaud avec une température moyenne > 10°C, mois le plus froid entre -3°C et 18°C. Les saisons été-hiver sont marquées. Exemple : Paris (tempéré humide).

• D - Climats continentaux : Mois le plus chaud avec une température moyenne > 10°C, mois le plus froid avec une température moyenne < -3°C. Les saisons été-hiver sont marquées.

• E - Climats polaires : Mois le plus chaud avec une température moyenne < 10°C. La saison d'été est très peu marquée. Exemple : Vostok (climat polaire).

II.2 Facteurs de Perturbation des Climats Actuels

A- Facteurs d'origine naturelle

• Éruptions volcaniques : Elles peuvent avoir un impact significatif sur le climat.

  • Exemple du Pinatubo (1991) : Une éruption plinienne (VEI 6) a émis 10 km³ de cendres et un nuage d'aérosols riches en SO₂ dans la haute atmosphère.

    • Effet des poussières : Court terme (jours à semaines), atténuation locale des radiations solaires.

    • Effet du SO₂ : Long terme (quelques années) et global. Le SO₂ réagit avec l'eau pour former de l'H₂SO₄ (aérosol) qui absorbe et réfléchit le rayonnement solaire, diminuant de 5 à 10% l'énergie reçue à la surface de la Terre. Cela a entraîné un refroidissement global de la troposphère de -0,4°C pendant 3 ans après l'éruption du Pinatubo.

  • Exemple du Hunga Tonga (2022) : Cette éruption sous-marine (VEI 5.7), de type surtseyenne et plinienne, a propulsé un panache jusqu'à 58 km d'altitude. Elle a injecté 140 mégatonnes de vapeur d'eau (soit 13% d'eau en plus) dans la stratosphère. Le volcan a été partiellement détruit par les explosions.

B- Facteurs d'origine anthropique

• Augmentation des concentrations de gaz à effet de serre (GES) : Depuis le début de l'ère industrielle (1750), les concentrations de GES (CO₂, CH₄, N₂O) ont fortement augmenté, notamment à partir de la fin du XIXe siècle avec l'utilisation des énergies fossiles et les activités industrielles.

  • Ces concentrations sont analysées à partir des bulles d'air piégées dans les calottes polaires et les glaciers.

  • Le forçage radiatif, qui est la différence du bilan radiatif induite par un facteur climatique, est en augmentation. Un forçage radiatif positif (> 0) indique un réchauffement (énergie reçue > énergie émise).

Conséquences de l'augmentation des GES

• Augmentation des températures : Les teneurs accrues en GES entraînent une augmentation de la température de l'air à la surface des continents et des océans.

• Élévation du niveau marin global : Les observations satellitaires altimétriques montrent une élévation du niveau marin.

  • Les simulations globales du changement climatique prévoient une augmentation de la température moyenne de +1,6°C à +6,2°C et une élévation du niveau marin de +20 cm à +70 cm d'ici 2100, selon différents scénarios d'émissions.

  • L'élévation du niveau marin est contrôlée par la dilatation thermique de l'eau et la diminution des réserves de glace.

• Les prévisions pour la période 2081-2100 montrent une amplification continue et significative des perturbations des climats. Ces effets sont attendus pour au moins les 100 prochaines années.

III. Changements Climatiques à l'Échelle des Temps Géologiques

Les changements climatiques sont des modifications au sein du système complexe atmosphère / Océan / Cryosphère / Biosphère / Géosphère.

Causes des changements climatiques

• Internes au système climatique : Mécanismes opérant depuis l'intérieur du système, comme la tectonique ou le volcanisme.

• Externes au système climatique : Mécanismes opérant depuis l'extérieur, comme les variations orbitales ou solaires.

Grandes évolutions climatiques au cours des temps géologiques (depuis 4.6 Ga)

• Le climat a connu des alternances de périodes de serre (greenhouse) avec des températures élevées, et d'épisodes froids (icehouse) avec des températures moyennes ≤ 10°C, où des calottes glaciaires se développaient.

• On identifie 6 périodes froides sur les 4,6 Ga, sans cyclicité temporelle à cette échelle.

• Certaines périodes ont connu un englacement total, appelé Terre « boule de neige » (Snowball Earth), où les calottes glaciaires s'étendaient jusqu'à l'équateur, avec des conditions atmosphériques, une insolation et une géologie différentes d'aujourd'hui.

Évolution de l'atmosphère et son impact sur le climat

• De 4,6 Ga à 2,4 Ga : Atmosphère primitive riche en CO₂, absence d'O₂, entraînant un fort effet de serre.

• Vers 3,8 Ga : Apparition de bactéries consommant le CO₂ et produisant du CH₄, modifiant l'atmosphère tout en conservant des gaz à effet de serre.

• Vers 3,5 Ga : Émergence des premiers continents, l'altération des roches consomme du CO₂.

• Vers 3,0 Ga : Apparition des cyanobactéries, qui, par photosynthèse, consomment le CO₂ et produisent de l'O₂.

• À partir de 2,4 Ga : L'accumulation d'O₂ dans l'atmosphère entraîne la disparition des bactéries productrices de CH₄, réduisant ainsi l'effet de serre et provoquant un refroidissement. Ce refroidissement est amplifié par l'augmentation de l'albédo due aux glaces, menant à des épisodes de Terre « boule de neige ».

Depuis -550 Ma (Phanérozoïque)

• Les concentrations d'O₂ et de CH₄ dans l'atmosphère sont proches des valeurs actuelles.

• Trois périodes glaciaires majeures (avec calottes glaciaires, mais pas de Terre « boule de neige ») :

  • Fin Ordovicien - début Silurien (vers -450 Ma).

  • Fin Carbonifère - début Permien (vers -300 Ma).

  • Quaternaire (depuis -2 Ma) : Cette période est caractérisée par d'importantes fluctuations de température sur des courtes échelles de temps et une alternance de périodes glaciaires (développement des inlandsis) et interglaciaires (réduction des inlandsis).

Changements Climatiques du Quaternaire

Pour comprendre les climats du Quaternaire, on utilise des archives climatiques et des indicateurs climatiques (proxies).

• Archives historiques : 2 à 3 ka, précision jour/semaine, témoignages de conditions météorologiques.

• Archives glaciaires (calottes glaciaires, glaciers de montagnes) : 800 ka, précision ≤ 100 ans. Proxies : composition isotopique de l'H₂O (H et O), composition de l'air des bulles piégées.

• Spéléothèmes (stalactites, stalagmites) : Plusieurs centaines de milliers d'années, précision 1 an. Proxies : composition isotopique du Carbone (δ¹³C) dans le CaCO₃, pollens.

• Archives biologiques/sédimentaires (fossiles dans sédiments, coraux, Foraminifères) : Jusqu'à 500 Ma (selon espèces), précision < 1 an à 1 Ma. Proxy : composition isotopique de l'Oxygène dans le CaCO₃.

Archives Glaciaires

Les carottes de glace sont d'excellentes archives paléoclimatiques. Les principaux proxies sont :

• Isotopes stables de l'H₂O : les rapports isotopiques ¹⁸O/¹⁶O (δ¹⁸O) et D/H (δD) de la molécule H₂O de la glace.

  • Le fractionnement isotopique (enrichissement en isotopes léger ou lourd) est fonction de la température et des changements de phase (évaporation, précipitation).

  • Une relation linéaire existe entre le δ¹⁸O des précipitations et la température de l'air en surface.

  • Ces isotopes donnent la valeur de la température atmosphérique au moment de la formation des précipitations.

  • Quand il y a formation de glace, l'eau évaporée des océans, plus légère en isotopes, est stockée dans les calottes. L'eau de mer s'enrichit alors en ¹⁸O. Plus il y a de glace, plus le δ¹⁸O de l'eau de mer est élevé.

• Chimie des bulles d'air piégées dans la glace : concentrations en O₂, CO₂, CH₄.

  • L'air est piégé à différentes étapes de la transformation de la neige en glace. Ces bulles d'air enregistrent la composition chimique de l'atmosphère au moment de leur emprisonnement.

Cycles de Milankovitch

Les changements climatiques du Quaternaire présentent une cyclicité de l'ordre de 10 000 à 100 000 ans, contrôlée par les cycles orbitaux de la Terre (cycles de Milankovitch).

• Ces cycles sont des forçages climatiques (perturbations externes impactant le bilan radiatif) qui entraînent des rétroactions sur tous les paramètres climatiques planétaires.

• Trois paramètres orbitaux varient :

  • Excentricité : La forme de l'orbite terrestre varie de très étirée à presque circulaire sur une période d'environ 100 000 ans. Une orbite plus elliptique entraîne des saisons plus courtes et plus contrastées.

  • Obliquité : L'inclinaison de l'axe de rotation terrestre par rapport au plan orbital varie entre 22°02' et 24°30' sur une période de 40 000 ans. Une obliquité maximale accentue le contraste des saisons (étés chauds, hivers rigoureux), favorisant les périodes globalement chaudes (Interglaciaires). Une faible inclinaison diminue les contrastes (étés frais, hivers moins rigoureux), favorisant les périodes globalement froides (Glaciaires).

  • Précession des équinoxes : L'instabilité de l'axe de rotation de la Terre entraîne une variation de l'orientation de cet axe sur une période de 20 000 ans. Cela influence la période de l'année où la Terre est au plus proche du soleil (périhélie) et la répartition de l'ensoleillement, affectant la durée et l'intensité des saisons.

• La combinaison de ces trois cycles régule le climat en influençant les contrastes saisonniers et la durée des saisons, de manière cyclique sur des échelles de temps de l'ordre de 250 000 ans.

Points Clés

• La distinction entre météorologie, climatologie et paléoclimatologie est fondamentale pour étudier les phénomènes atmosphériques sur différentes échelles de temps.

• Les climats actuels sont influencés par des facteurs naturels (volcanisme) et anthropiques (GES), ces derniers étant la cause principale du réchauffement climatique actuel et de l'élévation du niveau marin.

• Les climats passés sont reconstitués grâce à des archives climatiques (glaces, sédiments, spéléothèmes) et des indicateurs (proxies) comme les isotopes stables de l'eau et les gaz piégés dans la glace.

• Les cycles de Milankovitch expliquent les variations climatiques du Quaternaire en modulant l'ensoleillement terrestre.