Reconstituer et comprendre les variations climatiques

Comment reconstituer les climats anciens de la Terre, et expliquer les alternances de périodes glaciaires et interglaciaires qu'elle a connues ? Décryptage avec le professeur de SVT Mathieu.

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Comment reconstituer les variations climatiques passées ?

Les derniers 800 000 ans ont été marqués par une alternance de périodes glaciaires (froides) et interglaciaires (chaudes) . Pour reconstituer des climats locaux du passé de manière précises, les scientifiques s’appuient sur plusieurs indices :  

• Le δ18O (delta O dix-huit) : cette mesure exprime le rapport entre la quantité d’oxygène 18 et la quantité d’oxygène 16 dans les glaces et les carbonates. On le mesure dans les calottes de glace. Durant le quaternaire, le delta O dix-huit a varié de façon régulière dans l’Arctique. Les périodes où le delta O dix-huit est faible sont considérés comme des périodes froides. À l’inverse, les périodes où le delta O dix-huit est élevé sont interprétés comme des périodes chaudes. → Le delta O dix-huit peut être utilisé comme un paléo-thermomètre pour reconstituer les variations de la température du passé.
• Les indices glaciaires : à Lyon par exemple, il existe une roche glaciaire. Cette présence démontre qu’autrefois les glaciers s’étendaient jusqu’à Lyon. Le climat local était donc plus froid.
• Le diagramme pollinique : il est établi grâce à des prélèvements de terre (tourbe). Plus on est profond, plus on remonte vers des périodes lointaines. On y observe des grains de pollens fossile appartenant à différentes espèces de végétaux. Lorsqu’on observe une période avec une majorité d’arbres tempérés, le climat local est alors plutôt doux. En revanche, dans les périodes où on a plus de pins et d’herbes, on interprète cela comme un climat local froid.

Quelles sont les causes de ces variations climatiques passées ?

Qu’est-ce que des paramètres orbitaux ?

Pour étudier les causes de ces variations de températures dans le passé, les scientifiques ajoutent, aux indices vus précédemment, des paramètres orbitaux. Il s’agit de paramètres astronomiques, appelés aussi paramètres de Milankovitch. Parmi ces paramètres orbitaux, on peut citer :

• L’obliquité : elle représente la variation de l’axe de rotation de la Terre (quand elle se penche). Elle varie entre 22,1° et 24,5°. C’est cet angle de l’axe de rotation de la Terre qui est responsable des saisons. Au cours du temps, l’obliquité a varié de façon régulière et cyclique. Lorsque l’obliquité a une valeur faible et que la Terre est peu inclinée vers le Soleil, alors il y a un faible contraste entre l’hiver et l’été. Les étés sont plus frais. Lorsque l’obliquité est élevée, les écarts de température entre l’hiver et l’été sont plus importants. Les étés sont plus chauds.
• L'excentricité : elle caractérise la forme de l’orbite de la Terre autour du Soleil. L’orbite peut être plutôt circulaire avec des saisons peu marquées, ou elliptique avec un contraste de saisons plus grand et des fortes différences de températures entre l’hiver et l’été.
• La précession : cette notion décrit la rotation de l’axe de rotation de la Terre sur ellemême. La valeur de cette précession a aussi varié dans le passé de manière cyclique. Une précession faible désigne un faible contraste entre les saisons dans l’hémisphère nord et une précession élevée désigne un fort contraste entre les saisons dans l’hémisphère nord.

Comment les paramètres orbitaux influencent-ils les variations climatiques passées ?

La diminution de l’obliquité fait diminuer les contrastes des saisons. Conséquence : un refroidissement global de la Terre. Quand un refroidissement s’opère sur Terre, la calotte glaciaire s’étend. Ainsi, les calottes qui sont blanches renvoient la lumière et font ainsi augmenter l’albédo (pouvoir réfléchissant d’une surface). L’augmentation de l’albédo entraîne une perte d’énergie, ce qui provoque un refroidissement de la Terre. À l’inverse, quand l’obliquité est au maximum, la surface des calottes et l’albédo diminuent. La Terre se réchauffe.

→ Ici, on a une « boucle de rétroaction positive de l’albédo » : le refroidissement provoqué par l’extension des calottes stimule lui-même l’extension des calottes.

Dans le même temps, une autre rétroaction s’opère. C’est la « rétroaction positive liée à la solubilité du CO2 » : l’obliquité minimum fait diminuer la concentration de CO2. Cela s’explique par le cycle du carbone : quand il fait chaud, l’océan libère du CO2 dans l’atmosphère et quand il fait froid l’océan pompe de grandes quantités de CO2 présent dans l’atmosphère. Donc, quand il fait froid, on a de moins en moins de CO2 dans l’atmosphère. Ainsi, l’intensité de l’effet de serre diminue, intensifiant ainsi le refroidissement. Cette boucle de rétroaction positive s’auto-stimule aussi car la diminution de l’effet de serre provoque le refroidissement, qui va à son tour provoquer la solubilité du CO2 dans l’océan.

Schéma : 

C’est aussi ce mécanisme qui provoque le réchauffement de la Terre dans les périodes passées. Cela s’opère lorsque l’obliquité est au maximum.

Schéma : 

⇒ Donc, ces deux boucles de rétroaction sont responsables de l’alternance entre période glaciaires et période interglaciaires.