Reconstituer et comprendre les variations climatiques passées

D’environ 1°C en 150 ans, le réchauffement climatique observé au début du XXIe siècle est corrélé à la perturbation du cycle biogéochimique du carbone par l’émission de gaz à effet de serre liée aux activités humaines.

À l’échelle du Quaternaire, des données préhistoriques, géologiques et paléo-écologiques attestent l’existence, sur la période s’étendant entre -120 000 et -11 000 ans, d’une glaciation, c’est-à-dire d’une période de temps où la baisse planétaire des températures conduit à une vaste extension des calottes glaciaires. Les témoignages glaciaires (moraines), la mesure de rapports isotopiques de l’oxygène dans les carottes polaires antarctiques et les sédiments font apparaître une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires durant les derniers 800 000 ans.

Les rapports isotopiques montrent des variations cycliques coïncidant avec des variations périodiques des paramètres orbitaux de la Terre. Celles-ci ont modifié la puissance solaire reçue et ont été accompagnées de boucles de rétroactions positives et négatives (albédo lié à l’asymétrie des masses continentales dans les deux hémisphères, solubilité océanique du CO2) ; elles sont à l’origine des entrées et des sorties de glaciation.

Globalement, à l’échelle du Cénozoïque, et depuis 30 millions d’années, les indices géochimiques des sédiments marins montrent une tendance générale à la baisse de température moyenne du globe.

Celle-ci apparaît associée à une baisse de la concentration atmosphérique de CO2 en relation avec l’altération des matériaux continentaux, notamment à la suite des orogénèses du Tertiaire. De plus, la variation de la position des continents a modifié la circulation océanique.

Au Mésozoïque, pendant le Crétacé, les variations climatiques se manifestent par une tendance à une hausse de température. Du fait de l’augmentation de l’activité des dorsales, la géodynamique terrestre interne semble principalement responsable de ces variations.

Au Paléozoïque, des indices paléontologiques et géologiques, corrélés à l’échelle planétaire et tenant compte des paléolatitudes, révèlent une importante glaciation au Carbonifère-Permien. Par la modification du cycle géochimique du carbone qu’elles ont entraînée, l’altération de la chaîne hercynienne et la fossilisation importante de matière organique (grands gisements carbonés) sont tenues pour responsables de cette glaciation.

Activité : les causes des variations climatiques du Quaternaire

Activité : les variations climatiques depuis 500 millions d’années

TP : palynologie de la tourbière du Mont-Bar

Chapitre - Reconstituer et comprendre les variations climatiques passées

I – Le climat du Quaternaire

A – Indices de reconstitution du climat

• Des indicateurs de climat local froid :

• la présence de grains de pollens de plantes de climat froid (données paléoécologiques) ;

• les dépôts glaciaires (données géologiques) ;

• les peintures rupestres d’animaux de toundras (données préhistoriques) ;

• les valeurs faibles du 18O dans les glaces (données isotopiques).

Des indicateurs de climat global froid :

• les valeurs plus élevées du 18O dans les carbonates (données isotopiques).

B – Caractéristiques du climat glaciaire

L’accumulation de l’ensemble de ces indices atteste d’un climat mondial caractérisé par une diminution de la température globale pour la période comprise entre -120 000 ans et -11 000 ans.

Lors de cette période de glaciation, les calottes glaciaires s’étendaient vers des latitudes beaucoup plus basses qu’aujourd’hui.

C – Alternance glaciaires / interglaciaires

Les mesures du 18O dans les calottes polaires antarctiques et dans les sédiments carbonatés montrent une alternance de périodes de climats froids (périodes glaciaires) et de climats plus chauds (périodes interglaciaires).

Ces alternances glaciaires/interglaciaire s’expliquent par les variations cycliques des paramètres orbitaux de la Terre (paramètres de Milankovitch).

D – Paramètres orbitaux et rétroactions

Les changements de position d’astres massifs du Système solaire (Jupiter, Saturne) ou d’objets proches de la Terre (Vénus, Lune) provoquent de légères modifications des attractions gravitationnelles que subit la Terre.

Ces variations engendrent des modifications périodiques des paramètres orbitaux de la Terre, tels que :

• l’excentricité (changement de forme de l’orbite de la Terre autour du Soleil) ;

• l’obliquité (variations de l’angle d’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre sur elle-même) ;

• et la précession (rotation de l’axe de rotation de la Terre sur elle-même).

Les variations cycliques des paramètres orbitaux modifient les contrastes saisonniers.

Lorsque les contrastes saisonniers sont faibles (obliquité faible et/ou excentricité faible et/ou précession faible), les étés sont plus frais et les glaces formées pendant l’hiver ne fondent pas complètement. L’accumulation d’années en année de la glace augmente l’albédo de la planète, diminuant ainsi la puissance solaire reçue. La température mondiale diminue, la Terre entre en période glaciaire. La formation de glace est favorisée, ce qui augmente encore l’albédo (rétroaction positive de l’albédo). De plus, lorsque la température diminue, le CO2, dont la solubilité est dépendante de la température diminue, est davantage absorbé par les océans, ce qui diminue l’effet de serre et renforce le refroidissement de la planète (rétroaction positive de la solubilité du CO2 dans les océans).

Lorsque les variations cycliques des paramètres orbitaux augmentent les contrastes saisonniers (obliquité forte et/ou excentricité forte et/ou précession forte), l’effet est inverse et la Terre sort de la glaciation précédente et entre en période interglaciaire.

II – Variations climatiques du Cénozoïque

L’étude du 18O calculé à partir des coquilles de foraminifères révèle que depuis le Cénozoïque, le volume de glace continentale stocké à la surface de la Terre a augmenté.

On peut donc en déduire que la température de la surface terrestre s’est refroidie au cours du Cénozoïque.

Les causes de ce refroidissement sont multiples :

• la disposition des continents affecte la circulation océanique,

• l’altération des grandes chaînes de montagnes (Himalaya, Alpes) consomme du CO2 atmosphérique et diminue l’intensité de l’effet de serre.

III – Variations climatiques au Mésozoïque et au Paléozoïque

Certaines roches sédimentaires constituent des marqueurs climatiques. Leur positionnement, en tenant compte de la disposition passée des continents, permet de penser que le climat était plus chaud au Mésozoïque qu’actuellement et qu’il était plus froid au Paléozoïque.

Ces variations du climat s’expliquent par des variations de l’intensité de l’effet de serre liées à des :

• phénomènes consommateurs de CO2 (piégeage de la matière organique lors de la fossilisation et altération de la chaîne de montagne hercynienne au Paléozoïque) ;

• ou des phénomènes libérateurs de CO2 (volcanisme lié à l’activité importante des dorsales au Mésozoïque).

IV – Réchauffement actuel d’origine anthropique

Depuis la révolution industrielle, les activités humaines libèrent des gaz à effet de serre dans l’atmosphère, comme le CO2.

L’augmentation de sa concentration dans l’atmosphère est responsable d’un forçage radiatif supplémentaire à l’origine de l’augmentation de la température mondiale (qui a augmenté de 1°C depuis 1850).

Chapitre - Reconstituer et comprendre les variations climatiques passées

I – Le climat du Quaternaire

• Indices de reconstitution : pollens, dépôts glaciaires, peintures rupestres, isotopes (δ18O).

• Climat glaciaire (-120 000 à -11 000 ans) : températures globales basses, calottes plus étendues.

• Alternance glaciaire/interglaciaire : variations du δ18O → expliquées par les cycles de Milankovitch.

• Paramètres orbitaux : excentricité, obliquité, précession.

• Quand les contrastes saisonniers sont faibles (obliquité, excentricité ou précession faibles) :

  • Étés plus frais → la glace d’hiver ne fond pas complètement.

  • La glace s’accumule chaque année → albédo augmente.

  • Plus d’albédo → moins d’énergie solaire absorbée → refroidissement global.

  • La Terre entre en période glaciaire.

  • Rétroaction 1 : albédo → plus de glace → plus de froid.

  • Rétroaction 2 : CO₂ → plus de froid → CO₂ absorbé par les océans → effet de serre diminue → refroidissement renforcé.

II – Variations au Cénozoïque

• Refroidissement progressif.

• Preuves : δ18O des foraminifères → volume de glace accru.

• Causes :

  • Circulation océanique liée à la disposition des continents.

  • Altération de grandes chaînes (Himalaya, Alpes) → consommation de CO2 → baisse effet de serre.

III – Mésozoïque & Paléozoïque

• Mésozoïque : climat plus chaud (volcanisme actif, CO2 élevé).

• Paléozoïque : climat plus froid (piégeage du CO2 par fossilisation + altération hercynienne).

• Indices : roches sédimentaires + position des continents anciens.

IV – Réchauffement actuel (anthropique)

• Depuis 1850 : +1 °C global.

• Cause : émissions humaines de gaz à effet de serre (CO2, CH4…).

• Mécanisme : augmentation du CO2 → forçage radiatif positif → hausse température mondiale.

Téléchargement du logiciel Simclimat

• Paléoclimatologue (Bac+8 minimum) : il reconstitue les climats anciens grâce à l’analyse des glaces, sédiments, fossiles ou isotopes (comme le ¹⁸O). En étudiant les alternances glaciaires/interglaciaires et les causes naturelles des changements climatiques, il aide à comprendre les mécanismes à long terme du climat et à prévoir ses évolutions futures.

• Climatologue (Bac+5 à Bac+8 minimum) : il étudie les phénomènes physiques responsables du climat et de ses variations, du Cénozoïque à aujourd’hui. À partir de modèles numériques, il analyse les effets des paramètres orbitaux, des rétroactions et des activités humaines (forçage radiatif, effet de serre) pour anticiper les conséquences du réchauffement actuel.

• Ingénieur·e en environnement et adaptation au changement climatique (Bac+5 minimum) : il conçoit et met en œuvre des stratégies pour limiter ou s’adapter aux effets du réchauffement climatique d’origine anthropique. En s’appuyant sur les connaissances des cycles passés et des rétroactions climatiques, il conseille les collectivités et entreprises dans la gestion durable des ressources et la réduction des émissions de CO₂.

Quiz de révision

• Les variations naturelles du climat dans le passé peuvent-elles remettre en cause la responsabilité humaine dans le réchauffement actuel ?

• Jusqu’à quel point peut-on faire confiance aux indices isotopiques (comme le δ¹⁸O) pour reconstituer la température du passé ?

• Les archives climatiques (glaces, sédiments, pollens) peuvent-elles donner des informations contradictoires ?

• Comment les grandes variations climatiques ont-elles influencé l’évolution et la répartition des espèces vivantes ?

• Le volcanisme est-il un facteur de refroidissement ou de réchauffement à long terme ?