Variations passées, récentes et futures du climat

Étudier le climat passé : les indicateurs d’un changement climatique

• Mieux appréhender le climat passé permet de comprendre le climat présent et de percevoir le climat futur de notre planète.
• Le climat du passé peut être reconstitué grâce à des marqueurs chimiques ou biologiques enregistrés dans les glaces ou les sédiments.
• Marqueur chimique : l’analyse du delta de l’oxygène 18 ($\delta^{18}\text{O}$)
• Le $\delta^{18}\text{O}$ des glaces et des foraminifères (micro-organismes marins) permet d’appréhender les changements de températures sur des temps géologiques.
• Le $\delta^{18}\text{O}$ des glaces a une valeur moins négative lors d’une période interglaciaire et très négative lors d’une période glaciaire.
• Le $\delta^{18}\text{O}$ des glaces permet de calculer le $\delta^{18}\text{O}$ des océans, car tous deux sont reliés par un bilan de masse totale des isotopes de l’oxygène (quantité d’atomes d’oxygène identique à travers les âges) : si la quantité d’oxygène 18 est moindre dans les glaces, alors elle est plus importante dans les foraminifères et donc dans les océans.
• Pour passer des variations des isotopes d’oxygène à des températures, les scientifiques ont créé un étalonnage grâce au $\delta^{18}\text{O}$ pris au Groenland et au $\delta\text{D}$ (variation des isotopes en hydrogène dans la molécule d’eau $\text{H}_2_\text{O}$) pris en terre Adélie (Antarctique).
• Les $\delta^{18}\text{O}$ et $\delta\text{D}$ conjugués à la connaissance actuelle du fractionnement isotopique de la formation de la neige ont permis de créer un thermomètre isotopique.
• Marqueur biologique : la palynologie
• La palynologie (étude des pollens) nous permet d’accéder au climat (température et pluviométrie) à partir du Miocène ($23\,\text{Ma}$), car les végétaux présents sont proches des végétaux actuels.
• Par actualisme, on extrapole alors nos connaissances sur les biomes actuels à ceux du passé.
• La morphologie d’un grain de pollen (ornementations, sillons, pores) est propre à chaque famille ou genre, plus rarement à une espèce.
• La paroi des grains de pollens se conserve extrêmement bien dans le temps.

Les causes astronomiques de la variabilité naturelle du climat

• Les causes externes de la variabilité naturelle du climat sont caractérisées par de grandes amplitudes, que ce soit sur l’échelle spatiale ou sur l’échelle temporelle.
• L’activité solaire
• 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 $0,2\,\text{W/m}^2$ en plus pendant cette période.
• Pour autant, 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.
• 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.
• Le paramètre solaire est donc à considérer avec prudence : il semble jouer de manière indirect et complexe sur le climat.
• La théorie de Milankovitch
• En 1911, Milutin Milankovitch formalise la théorie astronomique des paléoclimats.
• 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 :
• l’excentricité de l’orbite terrestre (périodicité de la variation : environ 400 000 ans) ;
• l’obliquité de l’axe de rotation de la Terre (périodicité de la variation : environ 41 000 ans) ;
• la précession des équinoxes, c’est-à-dire le changement de sens de l’axe de rotation terrestre (périodicité de la variation : environ 19 000 ans ou 23 000 ans).
• Les météorites
• Le cratère du Chicxulub, datant de la fin du Crétacé, a été provoqué par un astéroïde d’environ $10\,\text{km}$ de diamètre.
• Les conséquences pour le climat ont été planétaires et durables : chute de la luminosité et de la température, pluies acides, chute de la photosynthèse et dépérissement des chaînes alimentaires (disparition des dinosaures), acidification des océans (forte extinction d’espèces marines), puis, sur le long terme, réchauffement de la planète par effet de serre.

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.
• La fonte des glaces et l’albédo
• On assiste à une forte diminution des surfaces de glace dans l’hémisphère Nord.
• La fonte des glaciers (glace continentale) et de la banquise (glace océanique) agit aussi en retour sur le climat en contribuant à diminuer l’albédo des territoires concernés.
• Cette diminution de l’albédo va augmenter les flux de chaleur latente et sensible au niveau des interfaces avec l’atmosphère, puisque la chaleur est davantage absorbée par les sols et océans.
• Les émissions de gaz à effet de serre d’origine naturelle et anthropique
• La part de responsabilité des différents gaz dans l’effet de serre (GES) dépend de leur taux d’absorbance du rayonnement électromagnétique :
• le GES le plus absorbant est la vapeur d’eau, mais son taux dans l’atmosphère reste très stable ;
• 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) depuis la révolution industrielle.
• Le bilan radiatif de la Terre s’en trouve impacté : l’effet de serre naturel et anthropique va capter plus de flux solaire incident et en réfléchir moins, mais aussi garder une plus grande part de l’énergie émise par la surface de la Terre ainsi que les flux de chaleur latente et sensible.
• On parle de forçage radiatif positif (degré de modification du bilan radiatif de la Terre entraînant donc un réchauffement du système).
• L’augmentation des GES d’origine anthropique est renforcée par la libération de dioxyde de carbone et de méthane contenus dans le permafrost (ou pergélisol).
• On parle de rétroaction positive : le réchauffement global provoque le dégel du permafrost qui libère des gaz à effet de serre qui, à leur tour, contribuent au réchauffement.
• La végétalisation permet d’atténuer le réchauffement global :
• en permettant une plus grande évaporation naturelle, ce qui augmente ainsi les précipitations et diminue les sécheresses ;
• en constituant un puits de carbone pour atténuer les émissions anthropiques.
• On parle de rétroaction négative : l’augmentation du $\text{CO}_2$ favorise la végétation qui atténue le réchauffement.
• L’océan
• L’océan n’est pas une cause de la variabilité du climat : il se situe au contraire du côté des conséquences. 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 :
• la modification la circulation thermohaline (courants marins) par l’accumulation de la chaleur dans les couches superficielles de l’océan ;
• la dilatation thermique de l’eau qui concourt à l’augmentation du niveau des mers.
• Un autre élément influant la variabilité climatique est l’oscillation nord-atlantique (NAO) ou australe : ces oscillations correspondent à des couplages entre la dynamique des masses d’eau et la dynamique des masses d’air.
• L’océan a un rôle amortisseur en absorbant à sa surface une fraction importante de l’apport additionnel d’énergie. Mais cette accumulation d’énergie dans les océans rend le changement climatique irréversible à des échelles de temps de plusieurs siècles.