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Introduction :
Nous l’avons vu, le climat est un système complexe qui tient compte de nombreux paramètres atmosphériques. Les climatologues cherchent notamment à étudier les variations climatiques dans le temps, car si la température moyenne sur Terre est relativement stable actuellement, le climat a subi des variations naturelles cycliques.
Ainsi, il convient de mieux appréhender le climat passé afin de comprendre le climat présent et d’être en mesure de percevoir le climat futur de notre planète.
Dans un premier temps, des marqueurs biogéochimiques vont permettre de mettre en lumière des variations climatiques passée. Puis, nous étudierons les causes externes et internes de la variabilité naturelle du climat ainsi que les rétroactions existantes et le rôle particulier des océans.
Étudier le climat passé : les indicateurs d’un changement climatique
Le climat du passé peut être reconstitué grâce à des marqueurs chimiques ou biologiques enregistrés dans les glaces ou les sédiments.
L’analyse du delta de l’oxygène 18 ()
Nous avons vu dans le cours précédent que les changements de températures peuvent être appréhendés à l’aide du des glaces et des foraminifères (micro-organismes marins), en complément de l’analyse des poussières contenue dans les couches de glace successives pour la datation.
Sur ce graphique, on peut remarquer deux choses :
Pour passer des variations des isotopes d’oxygène à des températures, les scientifiques ont créé un étalonnage grâce au pris au Groenland et au pris en terre Adélie (Antarctique).
Le correspond à la variation des isotopes en hydrogène dans la molécule d’eau (). Ce paramètre est construit comme le et représente donc les mêmes variations dans l’eau (glace, océans). Le choix du ou du tient aux équipements de laboratoire mais ne change donc rien sur le fonctionnement du fractionnement isotopique.
La palynologie
Un autre paramètre est utilisé par les paléo-climatologues : les pollens.
Les plantes sont devenues terrestres il y a environ 430 millions d’années. Les Spermatophytes (conifères) et les Angiospermes (plantes à fleurs) sont apparus il y a 350 et 245 millions d’années. Il est ainsi possible de trouver des pollens fossilisés dans des sédiments de ces époques.
Un biome est une vaste étendue terrestre définie par une cohérence bioclimatique, caractérisée par sa faune, sa flore et son climat.
La morphologie d’un grain de pollen est propre à chaque famille ou genre, plus rarement à une espèce.
La paroi des grains de pollens, constituée de molécules résistantes, se conserve extrêmement bien dans le temps.
De plus, elle porte des ornementations, des sillons ou est ponctuée de pores. Ces informations morphologiques sont déterminantes pour retrouver le genre à l’aide d’une clé d’identification.
À l’aide du logiciel Paléobiomes, on peut sélectionner le site de Freissinière (Col des Lauzès, à d’altitude, dans la région alpine.
On y trouve les données brutes des quantités de pollen en fonction de la profondeur dans la tourbière et leur datation associée, entre et (BP = Before Present, c’est-à-dire, avant aujourd’hui).
On fait le choix de sélectionner les données des genres Poaceae (graminée), Quercus (chêne), Pinus (pin), Betula (bouleau) et Corylus (noisetier), caractéristiques de certains climats.
Le logiciel va automatiquement créer les diagrammes polliniques associés sur l’ensemble des données sélectionnées.
On obtient ainsi le pourcentage de présence de chaque type de pollen en fonction des années sur la période donnée.
Poaceae | climat froid et sec |
Betula | climat froid à tempéré humide |
Pinus | climat froid à tempéré sec |
Quercus | climat tempéré à chaud |
Corylus | climat tempéré à chaud humide |
Pinus est un genre peu indicatif en altitude, car largement prédominant quelle que soit la variation climatique.
Entre et , il y a présence de Quercus et Betula en plus de Pinus. Cela est un indicateur d’un climat tempéré pour le chêne, mais humide pour le bouleau.
Puis, sur la période, à , on a une prédominance de Betula et 3 % de Corylus, tous deux marqueurs d’humidité dans le climat.
Enfin, de à , les Poaceae deviennent plus présentes, marquant un climat plus froid et sec.
Maintenant que nous avons vu comment les variations passées du climat peuvent être observées, nous allons nous intéresser aux causes des variations climatiques de manière générale.
Les causes astronomiques de la variabilité naturelle du climat
Les variations climatiques peuvent avoir une cause d’origine externe à la Terre.
Ces causes externes de la variabilité naturelle du climat sont caractérisées par de grandes amplitudes, que ce soit sur l’échelle spatiale, en touchant des continents entiers, voire le globe terrestre dans son intégralité, ou sur l’échelle temporelle, en s’exprimant sur de larges périodes de temps (milliers à millions d’années).
L’activité solaire
Historiquement, la première cause des variations climatiques qui a été répertoriée est l’activité solaire, vers 1610.
Le Soleil a une périodicité d’activité de 11 ans. Lorsqu’il présente de nombreuses taches solaires, son rayonnement est plus intense et la Terre reçoit en plus pendant cette période.
Deux précautions dans la lecture de ces informations doivent être mise en avant : les observations ne sont régulières que depuis 270 ans et ce ne sont que des observations.
La démarche scientifique n’a pas prouvé le lien de cause à effet entre le nombre de taches solaires et les variations climatiques. Il s’agit juste d’une correspondance, intéressante d’un point de vue historique. Cela met en perspective les causes des variations climatiques et montre que les climatologues n’ont pas encore saisi toute la complexité du système climatique.
En outre, le rayonnement solaire agit sur la formation du carbone 14 dans l’atmosphère. Plus l’intensité du rayonnement solaire est importante et moins il y a production de carbone 14.
En combinant les connaissances actuelles sur ce phénomène avec la dendrochronologie (étude des cernes des arbres), on est capable d’estimer l’activité antérieure du Soleil.
Cela nous amène à la corrélation inverse qui existe entre la périodicité solaire et la variation des températures atmosphériques avant l’ère postindustrielle.
Mais actuellement l’activité solaire augmente, les taux de et la température aussi. Ce paramètre solaire est donc à considérer avec prudence. Il semble jouer de manière indirect et complexe sur le climat.
La théorie de Milankovitch
Au XIXe siècle, les géologues découvrent le lien entre les variations de l’énergie solaire (ou insolation) et les périodes de glaciation.
La théorie des cycles de Milankovitch consiste à attribuer l’alternance des âges glaciaires et interglaciaires aux variations des paramètres orbitaux de la Terre. Ces trois paramètres sont :
Voyons plus en détail la variation de ces paramètres.
L’orbite terrestre est une ellipse dont l’un des foyers ( ou ) est occupé par le Soleil. En réalité, la taille du grand axe de cette ellipse (son plus grand diamètre) et donc de l’orbite terrestre varie entre un cercle et une ellipse.
L’excentricité de l’orbite terrestre varie sur une période de plus de 400 000 ans.
L’axe de rotation de la Terre forme un angle par rapport à l’axe perpendiculaire au plan de l’écliptique (plan de l’orbite terrestre).
Cet angle varie entre et sur une période d’environ 41 000 ans.
Ce paramètre correspond à la combinaison de la variation de l’orientation du grand axe de l’ellipse et de l’orientation de l’axe de rotation de la Terre.
Les contrastes saisonniers causés par la position en périhélie ne prennent pas en compte l’augmentation actuelle du dioxyde de carbone d’origine anthropique, qui augmente le nombre d’étés chauds.
La périodicité de la précession des équinoxes est d’environ 19 000 ans ou 23 000 ans.
Les météorites
La dernière cause externe aux variations climatiques que nous allons aborder est l’arrivée d’une météorite sur Terre.
En 1980, le physicien américain Alvarez et son équipe découvrent une forte quantité d’iridium dans les couches sédimentaires datant de la fin du Crétacé en de nombreux endroits du globe.
L’iridium est très rare sur Terre : ils posent donc l’hypothèse d’une origine extraterrestre liée à une ou des météorites.
Dans les années 1990, au Mexique, on découvre que la péninsule du Yucatan est en réalité le lieu d’un impact météoritique gigantesque ( de diamètre) datant de la fin du Crétacé : le cratère du Chicxulub.
Cet impact a été provoqué par un astéroïde d’environ de diamètre.
Les conséquences pour le climat ont été planétaires et durables.
La mise en suspension dans l’atmosphère d’une grande quantité de matière (roches, aérosols soufrés, vapeur d’eau) a engendré une chute de la luminosité et de la température (estimée à par rapport à la normale de l’époque) et a généré des pluies acides. Cela induit la chute de la photosynthèse et le dépérissement des chaînes alimentaires (disparition des dinosaures), mais aussi l’acidification des océans (forte extinction d’espèces marines).
Sur le long terme, il y a eu un réchauffement de la planète par effet de serre.
Nous allons voir enfin que les causes de la variabilité du climat sont aussi propres à la Terre.
L’effet de serre est l’une des causes internes qui vont entraîner une variabilité climatique. Cet effet est exacerbé par les activités humaines.
Les causes terrestres de la variabilité naturelle du climat et le rôle d’amortisseur de l’océan
Les causes terrestres de la variabilité du climat entretiennent le changement climatique initié.
Une cause augmentant le réchauffement va être à son tour accentuée par le réchauffement : on parle de rétroaction positive.
Au contraire, si une cause atténue la variabilité du climat, cette atténuation va diminuer la cause à son origine : on parlera de rétroaction négative.
Fonte des glaces et albédo
Photographies de la mer de glace près de Chamonix dans les Alpes en 1919 et 2019, ©MITTELHOLZER/AFP
Ces images nous permettent d’établir un constat évident : on assiste à une forte diminution des surfaces de glace dans l’hémisphère Nord.
Cette diminution des surfaces de glace agit aussi en retour sur le climat.
En effet, la fonte des glaciers (glace continentale) et de la banquise (glace océanique) va diminuer l’albédo des territoires concernés.
Pour rappel, l’albédo correspond à la quantité de lumière du Soleil réfléchie par une surface. C’est une grandeur sans dimension exprimée par un pourcentage ou une valeur entre et .
La neige a un albédo situé entre et , tandis que la forêt à un albédo situé entre et .
Une autre cause de la variabilité climatique est l’émission de gaz à effet de serre. Ces émissions peuvent être naturelles (cycle du carbone) ou d’origine humaine.
Les émissions de gaz à effet de serre d’origine naturelle et anthropique
Les gaz à effet de serre sont principalement la vapeur d’eau (), le dioxyde de carbone () et le méthane ().
La part de responsabilité des différents gaz dans l’effet de serre peut être estimée à l’aide de l’absorbance du rayonnement électromagnétique (spectre entier du rayonnement solaire).
Le gaz à effet de serre le plus important est la vapeur d’eau, mais son taux dans l’atmosphère reste très stable.
Au contraire le dioxyde de carbone absorbe une part moins importante du rayonnement, mais sa quantité croissante dans l’atmosphère est liée à un effet de serre d’origine anthropique (origine humaine). L’activité volcanique va aussi être source de libération du dioxyde de carbone de manière ponctuelle, mais potentiellement massive, jouant à travers les âges sur l’effet de serre naturel.
L’augmentation du dioxyde de carbone commence avec la révolution industrielle, très dépendante du charbon.
Puis, le suivi du dioxyde de carbone par mesure directe permet de rendre compte d’une très forte augmentation depuis 1958 (date d’ouverture de l’observatoire de Mauna Loa) : la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone passe de (partie par million) en 1958 à en 2019.
La concentration atmosphérique de dioxyde de carbone d’avant 1958 est mesurée dans les bulles d’air emprisonnées dans la glace.
À partir de 1958 en revanche, nous disposons de mesures directes.
L’impact des différents gaz à effet de serre sur le bilan radiatif de la Terre entraîne une augmentation de l’absorption d’énergie par l’atmosphère.
Cet impact sur le bilan radiatif correspond au forçage radiatif (degré de modification du bilan radiatif de la Terre). Ce sont des paramètres qui impactent le bilan radiatif soit positivement, entraînant donc un réchauffement du système, soit négativement, entraînant un refroidissent du climat.
Les gaz à effet de serre ayant une longue période de résidence dans l’atmosphère et un impact planétaire, ils peuvent augmenter la force radiative jusqu’à . Cependant, la présence d’aérosol va refroidir le système et on observe effectivement un forçage de actuellement. Les aérosols, surtout sulfatés ou soufrés, réfléchissent une grande part du rayonnement, créant un effet parasol. Finalement, l’ensemble engendre tout de même un réchauffement global de la planète.
L’augmentation des GES d’origine anthropique est renforcée par la libération de dioxyde de carbone et de méthane contenus dans lepermafrost (ou pergélisol).
Permafrost :
Le permafrost correspond à une couche de sol gelée tout au long de l’année et couvrant 25 % des terres de l’hémisphère Nord.
Mais il existe aussi des facteurs permettant d’atténuer le réchauffement climatique.
C’est le cas par exemple de la végétalisation, qui constitue une rétroaction négative d’origine anthropique (elle constitue donc l’opposé de la déforestation, qui constitue une rétroaction positive anthropique).
La végétalisation permet une plus grande évaporation naturelle. Cela augmente les précipitations et diminue les sécheresses.
Depuis quelques années, plusieurs projets de végétalisation voient le jour sur des terres qui ont subi la déforestation ou dont la biodiversité est en danger (exemple : projet du moteur de recherche Ecosia) ou même au sein des villes (exemple : projet des « forest cities », notamment en Chine).
Végétalisation d’immeubles dans une ville chinoise
D’autre part, une forêt en pleine croissance est un formidable puit de carbone pour atténuer les émissions anthropiques. Dans la gestion des villes du futur, la végétation sera au cœur des aménagements pour ces raisons.
Avec ce réchauffement climatique, on parle de plus en plus de la montée du niveau des mers. Mais est-ce la seule conséquence sur les océans ?
L’océan : un rôle d’amortisseur
L’océan n’est pas une cause de la variabilité du climat : il se situe au contraire du côté des conséquences, puisqu’il est impacté par les variations climatiques. Mais la modification des caractéristiques océaniques sous l’effet des variations climatiques va à son tour accentuer cette variabilité (rétroaction positive).
Le réchauffement global de la planète a plusieurs effets sur l’océan.
Une part de la chaleur va s’accumuler dans les couches superficielles de l’océan. Cela peut modifier la circulation thermohaline, c’est-à-dire les grands courants marins à travers les océans en surface comme vers les fonds de l’océan. Cette circulation participe au transport de l’énergie thermique vers des profondeurs plus importantes ou des latitudes plus fraîches.
De plus, le réchauffement global provoque la dilatation thermique de l’eau.
Une même quantité de molécules d’eau prend alors un volume plus important. Cela concourt pour partie à l’augmentation du niveau des mers.
En un siècle, les scientifiques estiment à l’élévation des mers liée à la dilatation thermique.
Cette élévation est renforcée par la fonte des glaces continentales. En effet, lors de la fonte, l’eau sur les continents va rejoindre les mers et océans, augmentant d’autant leur volume d’eau.
La fonte des banquises (glaces sur l’océan) ne modifie pas le niveau des océans, car le volume déplacé par la glace correspond parfaitement au volume de l’eau liquide après fusion.
Une analogie simple permet de le comprendre : le niveau d’eau entre le bécher avec glaçon et le bécher avec le glaçon fondu est bien strictement identique.
Le suivi du niveau de la mer se fait par des balises marines et par satellites.
Sur tout le XXe siècle, on estime que le niveau marin est monté d’environ par an. Mais cette augmentation s’accélère, puisque depuis les années 1990, l’élévation du niveau des océans se situe plutôt autour de par an.
L’augmentation de la température des océans ainsi que la fonte des glaces sont des rétroactions positives sur le réchauffement climatique actuel, puisqu’elles l’accentuent.
Un autre élément influant la variabilité climatique, en lien direct avec l’océan, est l’oscillation nord-atlantique ou australe. Ces oscillations correspondent à des couplages entre la dynamique des masses d’eau et la dynamique des masses d’air.
Les courants marins apportant de la chaleur de l’équateur vers les pôles impactent le climat régional et donc la dynamique de l’atmosphère. Cet indice est calculé en se fondant sur les différences de pression atmosphérique entre Reykjavik (Islande) et Lisbonne (Portugal). En fonction des apports plus ou moins importants de chaleur par l’océan, la dynamique du Jet Stream change (grand courant atmosphérique horizontal allant de l’Amérique du Nord vers l’Europe du Nord).
L’océan a un rôle amortisseur en absorbant à sa surface une fraction importante de l’apport additionnel d’énergie.
Cela conduit à une élévation du niveau de la mer par dilatation thermique de l’eau. À celle-ci s’ajoute la fusion des glaces continentales.
Cette accumulation d’énergie dans les océans rend le changement climatique irréversible à des échelles de temps de plusieurs siècles.
Conclusion :
Le climat de la Terre connaît une variabilité naturelle identifiable grâce aux marqueurs de température ou de pluviométrie (, pollen). Cette variabilité s’explique en partie par des facteurs astronomiques sur des échelles de temps longues (400 000 à 19 000 ans) ou très courtes pour le cycle solaire (11 ans). Enfin, des causes externes ponctuelles mais non négligeables comme les météorites ont pu affecter le climat terrestre et la biosphère.
Le climat actuel est toujours soumis aux mêmes conditions externes, mais viennent s’y ajouter des paramètres internes et/ou d’origine anthropique. La diminution des surfaces de glaces contribue au réchauffement en atténuant l’albédo. Au contraire, la végétalisation augmente l’albédo, atténuant ainsi le réchauffement. Les gaz à effet de serre et les mouvements océaniques engendrent des variations thermiques importantes sur Terre. De manière artificielle, l’être humain renforce les effets du réchauffement climatique par ses émissions de GES d’origine fossile. Les actions et rétroactions vont alors toucher les glaces continentales ou océaniques mais aussi la dynamique des enveloppes fluides (océans et atmosphère).
La connaissance du climat passé mais aussi des enjeux autour du changement climatique observable à l’échelle d’une vie humaine permettra aux décideurs et aux scientifiques d’agir pour le climat du futur et de le prévoir.