Les variations climatiques depuis 700 000 ans

Les variations climatiques depuis 700 000 ans

                                                           

Depuis plus de 700 000 ans, le climat terrestre oscille naturellement entre des périodes relativement chaudes, comme aujourd’hui, et des périodes plus froides. Le rythme de ces variations est d’origine astronomique. D’autres processus, comme le partage du CO₂ entre l’océan et l’atmosphère, amplifient les effets des variations d’insolation d’origine astronomique.

I – Les témoins des variations climatiques

1)    Les calottes polaires, témoins des variations de température et de CO₂

·        La vapeur d’eau est plus pauvre en ¹⁸O que le liquide dont elle est issue. Inversement, les eaux de condensation sont plus riches en ¹⁸O que la vapeur. La vapeur issue de la mer est donc plus pauvre en ¹⁸O. Plus il fait froid, plus cette vapeur se condense, plus la vapeur résiduelle est appauvrie en ¹⁸O.

·        On a étalonné cette relation entre ¹⁸O et température. La glace antarctique vient du tassement de 400 000 ans de chutes de neiges. L’analyse du ¹⁸O d’une carotte de glace permet de retrouver les variations locales des températures, au niveau du site de forage. Au centre de l’Antarctique, la température moyenne a varié entre - 45 et - 53 °C.

·        Les carottes de glace permettent aussi d’analyser la composition des bulles d’air qu’elles contiennent, témoins de l’atmosphère de l’époque de la chute de neige. Le CO₂ a varié de façon parallèle aux variations de température.

2)    Les sédiments océaniques, témoins des variations du volume des glaces

·        La glace des calottes est appauvrie en ¹⁸O de 40 ‰ par rapport à l’océan. Comme le volume global océan + calotte et constant, plus les calottes sont volumineuses, plus l’eau de mer est, par différence, riche en ¹⁸O.

·        Analyser l’eau de mer permet d’estimer le volume global des glaces et ses variations. La composition de l’eau de mer peut être déterminée par l’analyse des tests de Foraminifères benthiques, qui vivent au fond de la mer, à température constante. Les carottes de sédiments marins permettent d’estimer le volume des glaces depuis environ 1 million d’années. Il a varié de 25 millions de km³ dans les périodes interglaciaires, à plus de 65 millions de km³ lors des périodes glaciaires. Le volume des calottes varie de façon inverse à la température antarctique.

3)    Les fossiles et la morphologie des continents, témoins des variations du climat

·        Dans les zones tempérées, les lacs et tourbières contiennent des fossiles, entre autres de pollens et de Gastéropodes, attestant de climats anciens plus froids précédant l’époque actuelle.

·        En montagne, les traces laissées par les glaciers montrent que ceux-ci envahissaient périodiquement les plaines environnantes.

·        Ainsi, différents marqueurs chimiques (isotopes de l’oxygène…), paléontologiques (pollen…), sédimentologiques (dépôts fluvio-glaciaires…) et morphologiques (moraines…) attestent des changements climatiques depuis près d’un million d’années. Des périodes glaciaires ont alterné avec des périodes interglaciaires. Une certaine rythmicité apparaît dans la succession de ces périodes.

II – Causes et effets amplificateurs des variations climatiques

1)    L’astronomie rythme les variations climatiques

·        L’orbite de la Terre, l’inclinaison de son axe de rotation et l’orientation de cet axe varient régulièrement. Cela induit des variations périodiques d’ensoleillement globales, mais surtout locales. Ainsi, l’insolation estivale des zones polaires varie de plus ou moins 40 W/m² autour de la valeur moyenne.

·        Pour que des glaciers s’installent en zone polaire, il faut entre autres des hivers longs et peu rigoureux (beaucoup de neige) et des étés courts et frais (peu de fontes) ; inversement pour que les glaciers régressent.

·        L’insolation sur le nord de l’hémisphère nord et le volume des glaces oscillent avec le même rythme. Les fortes déglaciations coïncident toujours avec des périodes de fortes insolations estivales dans l’hémisphère nord.

2)    L’amplification des effets astronomiques

·        Les variations d’ensoleillement sur l’ensemble de la planète sont trop faibles pour expliquer les très grandes différences climatiques observées entre périodes glaciaires et interglaciaires. Il existe des mécanismes amplificateurs.

·        En voici deux exemples : le CO₂ est plus soluble dans l’eau de mer froide que dans l’eau de mer chaude ; neige et glace absorbent moins d’énergie solaire que terre ou mer. Si, pour une raison « astronomique », la température baisse un peu, du CO₂  atmosphérique se dissout dans l’océan et la surface glacée ou neigeuse augmente. La baisse du CO₂ atmosphérique entraîne une baisse de l’effet de serre et de la température ; l’augmentation des surfaces glacées diminue l’énergie absorbée par la Terre, et donc la température. Une faible diminution de température sera donc amplifiée. On peut ainsi établir une sorte de « boucle de rétroaction positive »… qui amplifiera d’une manière semblable une hausse de température.

3)    Les modifications anthropiques du climat

·        Les variations naturelles de température moyenne au Quaternaire sont parallèles aux variations du CO₂ atmosphérique : les variations mesurées pour le CO₂, variations entre 180 et 280 ppmv (ppmv = partie par million de volume), ont été accompagnées de variations des températures moyennes du globe d’environ 5 °C.

·        Or, depuis le début du XX^e siècle, l’activité humaine a déjà fait progresser le CO₂ de 280 à 370 ppmv, et les prévisions estiment que l’augmentation va continuer pour au moins un siècle encore. De combien de degrés cette augmentation du CO₂ va-t-elle être accompagnée ? Les prévisions chiffrent cette augmentation entre 2 et 6 °C d’ici 2100.

Les variations du climat au cours des 800 000 dernières années et la connaissance des différents mécanismes qui semblent en être les causes permettent ainsi d’élaborer des modèles d’évolution climatique possible, à court terme, et d’en percevoir les conséquences. La prévision des climats du futur est un enjeu à la fois de recherche scientifique et de société.