Exercices Comprendre les variations climatiques

Après avoir rappelé ce qu’est l’albédo, complétez les légendes grises sur le schéma ci-dessous avec les chiffres 0 et 1, ainsi que les signes + et –.

Document 1 : Variations du flux solaire en fonction du temps

À l’aide du document 1, décrivez les variations de l’activité solaire. Déduisez-en les différences de climat entre le XVIII^e et le XX^e siècle.

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 :

Les variations du climat passé semblent être la conséquence d’une multitude de paramètres. Nous avons vu précédemment que le cycle du carbone et principalement le taux de $\text{CO}_2$ atmosphérique semble être un paramètre important dans ces variations. Outre les processus biologique et d’altération ; la géodynamique de notre planète semble être un processus à même de libérer du carbone dans notre atmosphère. L’objet de cette activité sera de comprendre comment et surtout dans quelle mesure la géodynamique terrestre est une variable importante dans le cycle du carbone et donc dans la régulation du climat. Nous nous poserons ces questions tout au long de cette activité à travers la découverte de l’optimum climatique du crétacé et des variations climatiques de l’ère tertiaire.

Document 1 : Le monde au Crétacé

Au crétacé, l’activité tectonique de notre planète est très importante. L’océan Atlantique que nous connaissons actuellement est en pleine ouverture par extension du plancher océanique au niveau de la dorsale. Pour quantifier l’activité de la dorsale médio-océanique il est possible de calculer la vitesse d’expansion du plancher en appliquant la formule : $v = \dfrac d t$, avec $d$ la distance en km et $t$ le temps en Ma.

Document 2 : Le volcanisme de dorsale

Le volcanisme de dorsale et de façon plus générale l’ensemble du volcanisme terrestre constituent une grande source d’émission de $\text{CO}_2$ atmosphérique. Le manteau supérieur contient une masse de carbone 5 à 6 fois supérieure à celle contenue dans les réservoirs superficiels, c’est-à-dire environ 500 millions de milliards de tonnes ! L’activité volcanique est un excellent reflet de la géodynamique interne du globe terrestre.

Document 3 : Variation du taux d’extinction des espèces au cours des temps géologiques

🧪 Démarche expérimentale : 📝

Fiche technique logiciel :
Utilisation de Tectoglob3D

Protocole :
1. Ouvrir Tectoglob3D.
2. Cliquer sur « Données affichées » puis « Âge du plancher Océanique ».
3. Faire une première mesure cliquer sur « Action » puis « Mesurer une distance ».
4. Faire la mesure pour le crétacé dans les zones de couleur correspondant au crétacé.
5. Faire la mesure pour le cénozoique dans les zones de couleur correspondant au cénozoique.

Point de vigilence : Les mesures pour chaque époque doivent être faites sur la même ligne en partant de la dorsale et la distance sélectionnée pour le calcul est la distance « à vol d’oiseau » indiquée sur le côté de la fenêtre du logiciel.

À l’aide du document 1 et du logiciel Tectoglob3D, calculez la vitesse d’expansion du plancher océanique au Cénozoïque et au Mésozoïque. Quel constat pouvez-vous faire ?

Introduction de l’activité :

Au cours de ce chapitre, nous avons pu mettre en évidence qu’il existe une très grande variabilité naturelle des climats soumis à l’action de différents facteurs environnementaux, tels que les concentrations de gaz à effet de serre ou la tectonique des plaques. Toutefois, depuis le début du XX^e siècles, plusieurs études, dont celles du mathématicien Serbe Milutin Milankovitch, ont permis de mettre en évidence l’influence de différents paramètres définissant l’orbite terrestre comme acteur majeur du climat. Dans cette activité, nous chercherons donc à comprendre de quelle manière la modification de ces paramètres orbitaux de la Terre influence directement le climat.

Document 1 : Milutin Milankovitch

Depuis longtemps les astronomes savent que les paramètres qui définissent l’orbite terrestre sont variables dans le temps car ils sont dépendants de l’attraction exercée par la Lune et les autres planètes environnantes. Dans les années 1940, le mathématicien Serbe Milutin Milankovitch commence à calculer l’effet de ces différentes attractions. Il met en évidence 3 types de variations des paramètres orbitaux susceptibles de faire varier la quantité du flux solaire reçue par la Terre :

• excentricité : la forme de l’ellipse que forme la Terre autour du Soleil ;
• obliquité : angle d’inclinaison entre l’axe de rotation de la Terre et le plan de l’orbite terrestre ;
• précession des équinoxes : déplacement très lent de l’axe de rotation de la Terre, elle-même en rotation.

Document 2 : Paramètres orbitaux

Document 3 : L’insolation, les travaux d’André Berger

L’insolation au mois de juillet à  65° de latitude nord au cours des 500 000 dernières années a été calculée par l’astronome et mathématicien belge André Berger, en prenant en compte les variations découlant de la modification au cours des ans des paramètres orbitaux. Il s’agit d’une courbe obtenue à partir de calcul strictement théorique.

🧪 Démarche expérimentale : Simulations climatiques faisant varier les paramètres orbitaux 📝

Protocole :
1. Ouvir Simclimat.
2. Lancer une simulation « TEST » en réglant les paramètres sur « Pré-industriel » et sur une durée de 100 000 ans.
3. Ne modifier aucun paramètres orbitaux, seulement constater.
4. Puis lancer une simulation pour chaque paramètres orbitaux avec « VALEUR MNIMALE » et « VALEUR MAXIMALE ».
5. Les réglages restent sur « Pré-industriel » et « 100 000 ans » pour la durée.

À l’aide du logiciel SIMCLIMAT, réalisez plusieurs simulations climatiques en faisant varier les paramètres orbitaux mis en évidence par Milutin Milankovitch. Que constatez-vous concernant la variation de ces paramètres sur le climat terrestre ?