Quaternaire: Reconstitution et Variations Climatiques

Chapitre I : Reconstituer et comprendre les variations climatiques du Quaternaire

Le Quaternaire, notre période géologique actuelle débutée il y a 2,6 millions d'années, est marqué par une alternance de périodes froides (glaciaires) et douces (interglaciaires). La dernière glaciation a duré de 120 000 à 11 000 ans avant le présent, avec un maximum glaciaire il y a 20 000 ans.

Le principe d'actualisme postule que les processus passés opéraient de la même manière qu'actuellement, permettant de déduire les climats anciens à partir d'indices géologiques, préhistoriques et paléo-écologiques.

1. Les indices permettant de reconstituer les climats passés

A / Des indices préhistoriques

* Les peintures rupestres (ex: grottes de Lascaux, Chauvet, Cosquer) représentent la faune de l'époque, révélant les climats. * Mammouths, rennes (Lascaux, Chauvet) indiquent un climat froid et sec (type toundra). * Pingouins (Cosquer) présents à Marseille il y a 19 000 ans témoignent d'un niveau marin plus bas de 120 m et de températures froides.

B / Des indices géologiques typiques des anciens glaciers : les moraines glaciaires

* Un glacier est une masse de glace qui érode et transporte des roches en progressant. * Les accumulations rocheuses à l'aval sont appelées moraines. * Les gros blocs rocheux isolés sont des blocs erratiques (ex: Gros Caillou de la Croix-Rousse à Lyon). * Les vallées en « U » ou à fond plat sont des preuves irréfutables du passage d'anciens glaciers.

C / Indices de géologie isotopique

Cette méthode utilise les variations des isotopes d'oxygène (¹⁶O et ¹⁸O) dans différentes archives. 1. Les données des calottes glaciaires * La vapeur d'eau enrichie en ¹⁶O s'appauvrit en ¹⁸O en se dirigeant vers les pôles. * Le dans la glace est d'autant plus faible que le climat est froid. * Les bulles d'air emprisonnées dans la glace permettent de mesurer les teneurs passées en CO et CH (GES) sur les 400 000 dernières années. 2. Les données des carottes sédimentaires des océans * Les foraminifères (micro-organismes marins) construisent des tests carbonatés () contenant du ¹⁶O et ¹⁸O. * En période froide, l'eau est immobilisée sous forme de glace (pauvre en ¹⁸O), enrichissant l'eau océanique en ¹⁸O. * Le dans les sédiments océaniques est d'autant plus élevé que le climat est froid (et le volume de glace terrestre important). * Cet outil permet de reconstituer les paléoclimats des 800 000 dernières années.

D / Des indices écologiques : la palynologie, témoins des paléoclimats

* La palynologie est l'étude des pollens, dont l'enveloppe (exine) est très résistante et peut se conserver des milliers d'années dans des sédiments humides (lacs, tourbières). * Chaque espèce végétale a un pollen caractéristique. L'analyse des diagrammes polliniques permet de reconstituer le peuplement végétal et, par extension, les conditions climatiques passées. * Ex: Forte proportion de graminées et recul de la forêt → refroidissement. * Cet outil est efficace pour les 100 000 dernières années.

La concordance des résultats de ces différents outils permet des reconstitutions paléoclimatiques précises sur les 700 000 à 800 000 dernières années. Elles révèlent des cycles glaciaires-interglaciaires de 100 000 ans, avec des cycles plus courts (43 000, 24 000, 19 000 ans). Le prochain "coup de froid" majeur est prévu dans plus de 60 000 ans.

2. Les causes des changements climatiques

A/ L'influence de la périodicité des paramètres orbitaux de la Terre (Cycles de Milankovitch)

* Théorie développée par Milutin Milankovitch au début du XXe siècle. * Les variations de l'ensoleillement (insolation) terrestre sont dues à des perturbations des paramètres orbitaux de la Terre sur des cycles longs: * Excentricité de l'orbite terrestre (cycle d'environ 100 000 ans) : variation de la forme de l'orbite (plus ou moins elliptique). Plus l'orbite est excentrique, plus l'insolation varie au cours de l'année. * Obliquité de l'axe de rotation (cycle d'environ 41 000 ans) : variation de l'inclinaison de l'axe terrestre par rapport au plan de l'orbite. Une forte inclinaison accentue les saisons. * Précession des équinoxes (cycle d'environ 23 000 ans) : oscillation de l'axe de rotation. Modifie le moment de l'année où la Terre est au plus près/loin du soleil. * Ces cycles corrélent avec les variations climatiques (faible insolation = périodes froides). * Cependant, les variations d'insolation seules ne suffisent pas à expliquer l'ampleur des changements observés.

B / Des mécanismes amplificateurs exerçant un rétrocontrôle

Des boucles de rétroaction modifient l'ampleur et la rapidité des changements climatiques. * Rétroaction de l'albédo: * Augmentation de la glace Augmentation de l'albédo terrestre (réflexion de l'énergie solaire). * Moins d'absorption de chaleur Refroidissement accentué Favorise l'extension des glaces. * Boucle positive amplificatrice du refroidissement. L'inverse se produit lors d'un réchauffement (fonte des glaces diminution de l'albédo accélération du réchauffement). * Rétroaction du CO océanique: * Refroidissement de l'océan Augmentation de la solubilité du CO dans l'eau. * Diminution du CO atmosphérique Baisse de l'effet de serre. * Amplification du refroidissement, ce qui augmente encore la solubilité du CO. * L'inverse se produit lors d'un réchauffement.

Les Climats de la Terre : Comprendre le Passé pour Agir Aujourd’hui et Demain

Depuis environ 150 ans, la planète connaît un réchauffement climatique global d'environ 1°C. Cette perturbation est fortement corrélée à l'altération du cycle biogéochimique du carbone due aux émissions anthropiques de gaz à effet de serre (GES). Cependant, les variations climatiques sont un phénomène naturel fréquent à l'échelle des temps géologiques. L'étude du passé climatique, notamment celle du Quaternaire, est essentielle pour identifier les facteurs responsables de ces variations et évaluer la part de responsabilité de l'activité humaine dans les changements climatiques actuels.

Chapitre I : Reconstituer et Comprendre les Variations Climatiques du Quaternaire

Le Quaternaire est l'ère géologique actuelle, ayant débuté il y a 2,6 millions d'années (MA). Il se caractérise par une alternance de périodes froides, appelées périodes glaciaires, et de périodes plus douces, dites interglaciaires. La dernière période glaciaire a commencé il y a 120 000 ans et s'est achevée il y a 11 000 ans. Son maximum, le dernier maximum glaciaire, a été atteint il y a environ 20 000 ans. À cette époque, de vastes calottes glaciaires couvraient l'Europe du Nord et les Alpes, et le niveau des mers était environ 120 mètres plus bas qu'aujourd'hui. Ces reconstitutions s'appuient sur le principe d'actualisme : ce principe stipule que les processus géologiques et biologiques observés de nos jours opéraient de manière similaire dans le passé. Elles utilisent également divers indices géologiques, préhistoriques et paléo-écologiques, agissant comme des marqueurs du climat passé.

1. Les Indices Permettant de Reconstituer les Climats Passés

Plusieurs types d'indices sont utilisés pour reconstituer les climats du passé, chacun offrant une perspective unique et complémentaire.

A/ Des Indices Préhistoriques

Les hommes préhistoriques ont laissé des témoignages précieux de leur environnement à travers leurs œuvres artistiques.

• Peintures Rupestres : Dans des grottes comme celle de Lascaux (Dordogne, datées de 19 000 ans) ou Chauvet (Ardèche, datées d'environ 30 000 ans), les représentations animales sont des indicateurs climatiques. La présence de mammouths laineux, de rennes et d'autres espèces adaptées aux climats froids et secs suggère des environnements de type toundra, des formations végétales caractéristiques des régions polaires actuelles.
  • Exemple : Les rennes de la grotte Chauvet et les mammouths de Lascaux sont des marqueurs d'une faune de climat froid.
  • Exemple : Les pingouins de la grotte Cosquer (Bouches-du-Rhône), datés de 19 000 ans, sont un indice de la proximité des côtes à cette époque (la grotte est actuellement immergée, son unique accès étant sous l'eau). Leur présence indique des eaux froides et des côtes accessibles, ce qui concorde avec un niveau marin plus bas.

B/ Des Indices Géologiques Typiques des Anciens Glaciers : Les Moraines Glaciaires

Les glaciers sont des masses de glace formées par l'accumulation et la compaction de couches de neige successives sur de nombreuses années. Leur mouvement lent façonne le paysage et laisse des traces distinctives.

• Formation des Moraines : En avançant, un glacier (ou "langue glaciaire") érode les roches sur son passage, transportant des blocs rocheux de toutes tailles. Ces débris s'accumulent à l'aval du glacier pour former des dépôts appelés moraines.
  • Types de moraines : On distingue les moraines frontales (déposées à l'extrémité du glacier), latérales (sur les côtés) et de fond (sous le glacier).
  • Exemple : La moraine du Lac Louise au Canada est un exemple frappant de ces accumulations rocheuses.
• Blocs Eratiques : Les plus gros de ces blocs rocheux transportés et déposés par les glaciers sont appelés blocs erratiques. Leur présence, parfois très éloignée de leur région d'origine, témoigne de l'extension passée d'un glacier.
  • Exemple : Le "Gros Caillou" de la Croix-Rousse à Lyon est un bloc erratique, preuve de l'avancée alpine dans cette région.
• Vallées en "U" : L'érosion glaciaire tend à creuser les vallées en une forme caractéristique de "U", avec un fond plat et des versants abrupts, par opposition aux vallées fluviales en "V". Après le retrait d'un glacier, ces vallées sont des indices irréfutables de sa présence passée.
  • Exemple : De nombreuses vallées alpines, comme la vallée de Chamonix, présentent une forme en "U".
• Mise en garde : Il est important de distinguer ces formes glaciaires d'autres formes d'érosion pour une interprétation correcte des paléoclimats.

C/ Indices de Géologie Isotopique

L'analyse des isotopes stables de l'oxygène dans différents milieux offre des informations quantitatives sur les températures passées.

1. Les Données des Calottes Glaciaires

Les calottes glaciaires, comme celles du Groenland ou de l'Antarctique, contiennent des informations climatiques fossilisées sur des centaines de milliers d'années.

• Rapport isotopique de l'oxygène () dans la glace : Les molécules d'eau () sont composées d'hydrogène et d'oxygène. L'oxygène existe sous deux isotopes stables principaux : (le plus léger et abondant) et (plus lourd).
  • Lors de l'évaporation des océans, la vapeur d'eau est globalement appauvrie en car la molécule d'eau légère () s'évapore plus facilement.
  • Au fur et à mesure que la vapeur d'eau se déplace vers les pôles et subit des condensations successives (formation de nuages, précipitations), elle s'appauvrit davantage en . La neige qui tombe aux pôles et forme les calottes glaciaires est donc d'autant plus appauvrie en que le climat est froid.
  • Le est une mesure du rapport d'un échantillon par rapport à une référence. Un faible (plus négatif) dans la glace indique un climat plus froid.
  • Les glaciologues peuvent ainsi reconstituer les paléotempératures à partir des carottes de glace. Cet outil permet de remonter jusqu'à environ 400 000 ans pour certaines carottes.
• Bulles d'Air Fossilisées : Lorsque la neige se tasse et se transforme en glace, des bulles d'air ambiant sont emprisonnées. L'analyse de cet air fossile permet de déterminer la composition atmosphérique à l'époque de la formation de la glace, notamment les teneurs en gaz à effet de serre comme le et le , ainsi que l'.
  • Cet outil est crucial pour comprendre la relation entre la concentration de GES et les variations de température sur les 400 000 dernières années.

2. Les Données des Carottes Sédimentaires des Océans

Les fonds océaniques sont des archives sédimentaires qui enregistrent les changements climatiques sur des échelles de temps encore plus longues.

• Rapport isotopique de l'oxygène () dans les tests de Foraminifères : Les sédiments océaniques contiennent les restes d'organismes marins, comme les foraminifères, dont les coquilles (tests) sont faites de carbonate de calcium (). Ce incorpore l'oxygène de l'eau environnante sous forme d' et .
  • La proportion de ces isotopes dans les tests varie en fonction de la température de l'eau et du volume de glace accumulé sur les continents.
  • En période froide (glaciation), une grande quantité d'eau est immobilisée sous forme de glace sur les continents. Or, la glace est plus riche en (isotope léger qui s'évapore plus facilement). Par conséquent, les eaux océaniques restantes s'enrichissent relativement en .
  • Un élevé (plus positif) mesuré dans les tests de foraminifères indique donc un volume de glace important et, par corrélation, un climat plus froid.
  • Cet outil permet de reconstituer les paléoclimats sur les 800 000 dernières années, offrant une perspective plus large que les carottes glaciaires.

D/ Des Indices Écologiques : La Palynologie, Témoins des Paléoclimats

La composition de la végétation passée est un excellent indicateur des conditions climatiques.

• La Palynologie : C'est la science qui étudie les pollens et les spores. Chaque espèce végétale possède un pollen distinct, caractérisé par sa forme, son ornementation, ses pores et ses sillons. L'enveloppe externe du pollen, l'exine, est extrêmement résistante et peut se conserver des milliers d'années dans des sédiments (lacustres, tourbières) qui sont humides et/ou anoxiques (dépourvus de dioxygène), conditions propices à leur préservation.
• Diagrammes Polliniques : En analysant le contenu pollinique des sédiments prélevés en carottage, les palynologues peuvent élaborer des diagrammes polliniques. Ces diagrammes montrent l'évolution des proportions des différents types de pollens au fil du temps.
  • En identifiant le peuplement végétal d'une zone à une époque donnée, on peut en déduire les conditions climatiques de cette région.
  • Exemple : Une forte proportion de pollens de graminées et un recul des pollens d'arbres témoignent généralement d'un refroidissement climatique (milieu de type steppe ou toundra) et/ou d'un assèchement. Inversement, une augmentation des pollens d'espèces forestières indique un réchauffement et une humidification.
• Période Couverte : Cet outil est particulièrement efficace pour reconstituer les conditions paléoclimatiques des 100 000 dernières années, car il exige une bonne préservation des pollens, généralement altérés sur des périodes plus longues.

Conclusion sur les indices : La confrontation et la mise en relation des informations obtenues par ces différents outils (peintures rupestres, moraines, isotopes de la glace et des sédiments marins, pollens) révèlent une grande concordance des résultats. Cette convergence permet de reconstituer les paléoclimats avec une grande précision. Au cours des 800 000 dernières années, les études ont clairement mis en évidence une alternance régulière de périodes glaciaires (froides) et interglaciaires (chaudes), avec une périodicité dominante d'environ 100 000 ans pour les grands cycles glaciaires. Des cycles plus courts de refroidissement/réchauffement sont également observés sur des périodes de 43 000, 24 000 et 19 000 ans, notamment entre les maxima glaciaires. Ces données indiquent que le prochain "coup de froid" majeur sur la planète n'est pas prévu avant plus de 60 000 ans.

2. Les Causes des Changements Climatiques

Comprendre les mécanismes sous-jacents aux variations climatiques est crucial. Deux types de facteurs principaux sont identifiés : les forçages astronomiques et les mécanismes amplificateurs.

A/ Influence de la Périodicité des Paramètres Orbitaux de la Terre

Dès le début du XX siècle, le mathématicien serbe Milutin Milankovitch a proposé une explication aux cycles glaciaires-interglaciaires, connue sous le nom de cycles de Milankovitch. Son hypothèse repose sur le fait que le climat est largement déterminé par la répartition de l'énergie solaire sur Terre en fonction de la latitude, et que les saisons sont une conséquence de l'inclinaison de l'axe de rotation terrestre. Il a identifié trois types de perturbations des paramètres orbitaux de la Terre qui modifient l'insolation reçue :

1. Excentricité de l'orbite terrestre : L'orbite de la Terre autour du Soleil n'est pas un cercle parfait mais une ellipse. L'excentricité est la mesure de l'écart de cette orbite par rapport à un cercle. Elle varie sur une période d'environ 100 000 ans.
   • Lorsque l'excentricité est faible (orbite plus circulaire), la distance Terre-Soleil varie peu au cours de l'année.
   • Lorsque l'excentricité est élevée (orbite plus elliptique), la variation de distance est plus grande, entraînant des variations d'insolation plus marquées entre le périhélie (point le plus proche du Soleil) et l'aphélie (point le plus éloigné).
   • Conséquence : Une excentricité plus grande peut entraîner des étés plus chauds et des hivers plus froids dans un hémisphère si l'été coïncide avec le périhélie.
2. Obliquité (ou inclinaison de l'axe de rotation terrestre) : L'axe de rotation de la Terre est incliné par rapport au plan de son orbite. Cette obliquité varie entre et sur une période d'environ 41 000 ans. L'inclinaison actuelle est d'environ .
   • Une plus grande inclinaison accentue les différences saisonnières (étés plus chauds, hivers plus froids) aux hautes latitudes, car les pôles reçoivent plus de rayonnement solaire en été et moins en hiver.
   • Une faible inclinaison réduit les contrastes saisonniers, favorisant la persistance de la neige et la croissance des calottes glaciaires en été dans les régions polaires.
   • Importance : Les changements dans l'obliquité sont considérés comme un facteur clé pour le début et la fin des glaciations, surtout dans l'hémisphère nord.
3. Précession des équinoxes : Il s'agit du changement d'orientation de l'axe de rotation de la Terre par rapport à son orbite, un peu comme le mouvement d'une toupie. Ce phénomène se produit sur une période d'environ 23 000 ans (cycle de 19 000 et 24 000 ans).
   • La précession détermine à quelle période de l'année (et dans quel hémisphère) la Terre est au périhélie (plus proche du Soleil) et à l'aphélie (plus éloignée du Soleil).
   • Conséquence : Si le périhélie coïncide avec l'été de l'hémisphère nord, les étés y seront plus chauds, et les hivers plus rigoureux. Inversement, si le périhélie coïncide avec l'hiver de l'hémisphère nord, les hivers y seront plus doux.
   • C'est un facteur important pour la distribution saisonnière de l'énergie solaire.

Ces perturbations orbitales entraînent des variations de l'insolation (quantité de rayonnement solaire reçu par unité de surface et de temps) sur Terre, en particulier aux hautes latitudes. Les périodes froides du Quaternaire (glaciations) correspondent à des périodes de faible insolation estivale aux hautes latitudes de l'hémisphère nord, ce qui invalide la théorie de Milankovitch. Inversement, les périodes interglaciaires (chaudes) correspondent à une insolation plus élevée. Limitation : Bien que la théorie de Milankovitch explique les grandes alternances glaciaires/interglaciaires et leur périodicité, les variations d'insolation seules ne sont pas suffisantes pour expliquer l'ampleur des changements climatiques réellement observés. D'autres mécanismes doivent intervenir pour amplifier ces variations initiales.

B/ Des Mécanismes Amplificateurs Exerçant un Rétrocontrôle

Pour expliquer l'ampleur des changements climatiques et la rapidité des entrées et sorties de glaciations, il est nécessaire d'invoquer des boucles de rétroaction (ou rétrocontrôles), qu'elles soient positives (amplification du phénomène) ou négatives (atténuation du phénomène).

• Rétroaction Positive de l'Albédo Glaciaire :
  • Phénomène : L'albédo est la capacité d'une surface à réfléchir le rayonnement solaire. Les surfaces claires, comme la neige et la glace, ont un albédo élevé (elles réfléchissent la majeure partie du rayonnement). Les surfaces sombres (océans, forêts) ont un albédo faible (elles absorbent davantage de chaleur).
  • Mécanisme d'amplification (entrée en glaciation) : Lorsqu'une légère baisse de l'insolation entraîne un faible refroidissement, la neige et la glace commencent à s'étendre. Cette extension des surfaces glaciaires augmente l'albédo terrestre. Les sols absorbent alors moins de chaleur et se refroidissent davantage, ce qui favorise encore plus l'extension des glaces. Le refroidissement initial est ainsi amplifié.
  • Mécanisme d'amplification (sortie de glaciation) : Inversement, une légère augmentation de l'insolation entraîne un réchauffement initial, provoquant une fonte partielle de la glace. La diminution des surfaces glaciaires réduit l'albédo terrestre, augmentant l'absorption de chaleur. Cela accélère le réchauffement et la fonte, amplifiant la sortie de glaciation.
• Rétroaction Positive du Océanique :
  • Phénomène : Le dioxyde de carbone () est un gaz à effet de serre majeur. Sa solubilité dans l'eau est inversement proportionnelle à la température : plus l'eau est froide, plus elle peut dissoudre de .
  • Mécanisme d'amplification (entrée en glaciation) : Lors d'une entrée en glaciation, le refroidissement global des océans augmente la solubilité du dans l'eau de mer. Cela provoque une diminution de la teneur atmosphérique en (le carbone passe de l'atmosphère à l'océan). La baisse de la concentration atmosphérique en réduit l'effet de serre naturel, entraînant une diminution de la température globale, qui à son tour augmente davantage la solubilité du dans les océans. Cette boucle amplifie le refroidissement.
  • Mécanisme d'amplification (sortie de glaciation) : Le phénomène inverse se produit en sortie de glaciation. Le réchauffement des océans diminue la solubilité du , qui est alors relâché dans l'atmosphère. L'augmentation de sa concentration renforce l'effet de serre et accélère le réchauffement.

CONCLUSION GÉNÉRALE

La reconstitution des climats passés est une tâche complexe qui intègre des indicateurs paléoclimatiques variés : sédimentologiques, paléontologiques, isotopiques et géologiques. En se basant sur le principe d'actualisme, qui postule la constance des lois physiques et chimiques à travers le temps géologique, il est possible d'interpréter les formations rocheuses et les distributions faunistiques et floristiques comme des témoins des climats anciens. Par exemple :

• Des roches comme les évaporites (sels, gypse) ou les latérites (sols riches en oxydes de fer et d'aluminium) indiquent des climats chauds et humides ou arides.
• Des dépôts comme les tillites (roches sédimentaires formées à partir de dépôts glaciaires consolidés) ou les moraines sont des marqueurs de climats froids et glaciaires.

L'étude des climats quaternaires révèle une dynamique complexe, où des forçages externes (cycles de Milankovitch) déclenchent des changements, qui sont ensuite amplifiés par des rétroactions internes au système Terre (albédo-glace, cycle du carbone). Cette compréhension des mécanismes naturels de variation climatique est fondamentale pour contextualiser le réchauffement climatique actuel et évaluer l'impact des activités humaines, permettant ainsi d'éclairer les décisions pour l'avenir.