Exercices Semaine 4 - Les climats de la Terre : comprendre le passé pour agir aujourd’hui et demain

Introduction de l’activité :

Le cycle du carbone dans le système Terre semble jouer un rôle prépondérant dans l’évolution des climats à travers les âges géologiques. De plus en plus d’études montrent qu’il est vraisemblablement possible de retrouver la teneur en $\text{CO}_2$ de l’atmosphère et la gestion du stock de carbone dans les divers réservoirs terrestre sur de très longues périodes en utilisant des données indirectes. Le but de cette activité est de découvrir comment les climatologues parviennent à reconstruire l’évolution du cycle du carbone à l’échelle de plusieurs millions d’années et dans quelles mesures ces informations permettent de reconstruire les paléoclimats de notre planète.

Document 1 : Fossile de fougère du carbonifère supérieur et localisation des faciès typiques du carbonifère (– 310 ma)

Les vastes bassins houillers en Europe sont formés de roches carbonées de type charbon. Les fasciés sont très fréquemment associés à la présence de fossiles végétaux de type fougère arborescente.

Document 2 : Cycle du carbone et détail de la photosynthèse

Document 3 : Indice stomatique des feuilles

L’indice stomatique des feuilles végétales est déterminé en faisant le pourcentage de stomates recensés au microscope sur une feuille par rapport au nombre total de cellules épidermiques constituant la même feuille.

De nombreuses études ont montré qu’il existe un lien entre le nombre de stomates par feuille et la concentration de l’atmosphère en $\text{CO}_2$. Moins les feuilles possèdent de stomates, plus l’air contient de $\text{CO}_2$. Il en résulte alors que l’indice stomatique augmente quand la concentration en $\text{CO}_2$ atmosphérique diminue.

En observant la répartition latitudinale des différents faciès à travers les documents 1 et 2, que pouvez-vous en déduire quant au climat général de la Terre au Carbonifère ?

Introduction de l’activité :

Le changement climatique et ses enjeux sont des sujets d’actualité récurrents et cruciaux depuis plusieurs décennies. L’augmentation de la fréquence de survenue des phénomènes climatiques extrêmes, et souvent meurtriers – tels que les inondations cataclysmiques, les tempêtes et les sécheresses à répétitions – amène les citoyens et la plupart des gouvernements à s’interroger sur les causes de ces catastrophes. Pour mieux comprendre les mécanismes à l’origine de ces changements, les paléo-climatologues cherchent à reconstruire les climats anciens et leur évolution. Pour cela, ils s’appuient sur un panel de différents outils que nous allons chercher à découvrir ici.

Document 1 : Coraux fossilisés

Au tout début de l’ère Tertiaire, la France est quasiment à la même place qu’aujourd’hui. Le Bassin parisien se situe alors seulement 1 000 km plus au sud, à l’emplacement de l’actuelle capitale espagnole, Madrid ! De très nombreux fossiles, datant du Lutétien (– 47,8 à 41,3 Ma), ont été retrouvés dans les formations géologiques de Beynes dans l’ouest parisien. Parmi eux, figurent quelques espèces de coraux dont l’espèce Eupsammia trochiformis présentée ci-dessous.

Document 2 : Exigences écologiques des coraux

Les coraux sont des animaux coloniaux formant, en s’accumulant, des barrières calcaires autour des atolls. On les trouve actuellement dans les zones tropicales et intertropicales car ils ne peuvent se développer que dans certaines conditions de températures, d’oxygénation, de profondeur et de salinité bien précises. Les conditions écologiques propices à leur développement comprennent une eau de mer avoisinant les 26 °C, claire et peu profonde.

Document 3 : Témoins sédimentaires

Les tillites sont des conglomérats sédimentaires de taille très variés formés en contexte fluvio-glaciaires. Ce type de dépôt a en particulier été retrouvé dans les formations géologiques de la fin du Paléozoïque (– 320 à – 270 Ma) de l’actuelle Australie, mais également en Inde, en Amérique du Sud et en Afrique du Sud. Les tillites sont très souvent retrouvées en association avec des roches aplanies marquées de profondes stries formées par le déplacement des glaciers sur la roche.

Document 4 : Situation des continents à la fin du Paléozoïque

Actualisme :
Méthode scientifique qui transpose des observations actuelles dans le passé.

En exploitant les documents 1 et 2, quelles informations sur le climat en Europe de l’Ouest au début de l’ère Tertiaire pouvez-vous en déduire ?

Introduction de l’activité :

Depuis plus d’un siècle les activités humaines et principalement les émissions de $\text{CO}_2$ liées à l’industrie semblent être responsables de l’accélération du réchauffement climatique. Pour mesurer cela, les climatologues utilisent plusieurs indices et en particulier la température de l’eau et de l’air et le pH des océans. Ces déséquilibres créés par le réchauffement climatique infligent aux populations animales et végétales des variations brutales de leur milieu de vie et ne sont pas toujours capables de trouver rapidement des stratégies d’adaptation pour y répondre. Dans cette activité, nous proposons de découvrir les effets directs de ces modifications sur un écosystème marin et sur les populations humaines.

Document 1 : Présentation des coraux

Les coraux sont des organismes marins fixés, constitués d’une partie molle qu’on appelle le polype et d’une partie rigide et calcaire, le pied. Dans les mers chaudes et peu profondes sous climat tropical, les coraux vivent en symbiose avec une algue unicellulaire dinoflagellé appelée zooxanthelle. Ces algues unicellulaires utilisent les déchets du métabolisme des coraux pour faire la photosynthèse et en échange elles fournissent aux coraux de l’oxygène.
Cependant, en période de stress, les coraux ne sont plus à même de réaliser cette précieuse symbiose. Les zooxanthelles, qui donnent leur couleur marron/vert caractéristique aux coraux, sont alors expulsés et les coraux blanchissent. Les coraux sont des espèces marines très sensibles, les changements de température, de salinité, d’acidité ou de turbidité de l’eau de mer peuvent induire un stress métabolique induisant leur blanchissement.

Document 2 : Le phénomène El Nino

Le phénomène El Nino qui est un phénomène naturel a priori indépendant du réchauffement climatique, serait un fort déclencheur d’épisode de blanchiment des coraux du fait de l’augmentation brutale de la température des eaux par variation de la circulation des masses d’eaux océaniques. Les deux plus grands épisodes de blanchiment ont eu lieu en 1998 en causant la mort de 16 % des récifs coralliens du monde et le second entre 2014 et 2015, touchant plus de 38 % des récifs du monde.

Document 3 : Évolution de la température de surface des océans depuis 1880

Document 4 : Acidification des océans

D’après le GIEC, l’acidification des océans est amenée à se poursuivre d’ici la fin du XXI^e siècle. L’acidification des eaux marines présente un risque majeur pour les récifs coralliens, les mollusques et certains types de planctons en raison de leur structure calcaire ou de leur coquille. Ainsi, associé au réchauffement des eaux marines, à la pollution ou encore à l’eutrophisation des milieux aquatiques, ce phénomène menace l’équilibre de nombreux écosystèmes.

D’après les documents 1 à 3, dans quelles mesures et comment la température des océans peut-elle être responsable du blanchiment des coraux ?

Parcours guidé :

• Le phénomène El Nino est-il seul responsable ?
• Comment l’augmentation des températures dues au réchauffement climatique s’associe-t-elle à des phénomènes naturels tel qu’El Nino ?