Lycée · 2ⁿᵈᵉ · SVT (2nde)
Le climat passé et présent
Reconstituer les variations climatiques au cours des temps géologiques (programme SVT 2nde — Enjeux planétaires contemporains)
À propos de cette page
Le climat, un système en perpétuelle évolution
Le climat désigne l'ensemble des conditions atmosphériques moyennes (température, précipitations, vents) caractérisant une région sur une longue période (≥ 30 ans). Il se distingue de la météo qui décrit l'état de l'atmosphère à court terme.
Les archives géologiques montrent que le climat terrestre a connu des variations importantes depuis la formation de la Terre il y a ~4,5 milliards d'années : périodes chaudes (optimums climatiques) et périodes froides (glaciations) se sont succédé, à des échelles de temps très différentes.
- Millions d'années (Ma) : grandes glaciations (ex. Carbonifère, Quaternaire)
- Milliers d'années (ka) : cycles glaciaires-interglaciaires (cycles de Milankovitch)
- Siècles / décennies : variations historiques et récentes
Les indicateurs du climat passé : les proxies climatiques
On ne dispose pas de relevés instrumentaux pour les périodes géologiques lointaines. Les scientifiques utilisent donc des indicateurs indirects, appelés proxies climatiques (proxy = substitut), qui ont enregistré les conditions passées dans des archives naturelles.
| Archive naturelle | Proxy utilisé | Information obtenue |
|---|---|---|
| Glaces polaires (carottes) | Bulles d'air, isotopes $\delta^{18}O$, $\delta D$ | Température, composition de l'air |
| Sédiments marins | Foraminifères, isotopes $\delta^{18}O$ | Température des océans, volume des glaces |
| Pollens fossiles | Spectres polliniques | Végétation, donc climat |
| Coraux | Squelette, isotopes | Température de surface, pH |
| Spéléothèmes | Couches de stalagmites | Pluviométrie passée |
| Cernes d'arbres | Largeur et densité des cernes | Croissance = température + humidité |
Les carottes de glace : archives du passé
Les carottes de glace sont des cylindres de glace extraits par forage dans les inlandsis polaires (Antarctique, Groenland). Chaque couche annuelle de neige compactée correspond à une époque précise : plus on fore profond, plus on remonte dans le temps.
Les carottes permettent aussi d'analyser directement l'air ancien piégé dans des bulles lors de la compaction de la neige : on mesure les concentrations en $\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{N_2O}$ de l'atmosphère passée.
Les cycles glaciaires-interglaciaires et les paramètres orbitaux
Les données des carottes de glace révèlent une alternance rythmique de périodes glaciaires (refroidissement global, extension des calottes) et de périodes interglaciaires (réchauffement, recul des glaces), avec une périodicité dominante d'environ 100 000 ans.
L'astronome serbe Milutin Milankovitch (1879–1958) a proposé que ces cycles sont pilotés par des variations des paramètres orbitaux de la Terre qui modifient la répartition du rayonnement solaire reçu (insolation).
- Excentricité de l'orbite (~100 000 ans) : la Terre tourne sur une ellipse plus ou moins allongée autour du Soleil.
- Obliquité (axe de rotation, ~41 000 ans) : l'angle entre l'axe de rotation de la Terre et la perpendiculaire au plan de l'écliptique varie entre ~22° et ~24,5° (actuellement ~23,5°).
- Précession des équinoxes (~23 000 ans) : l'axe de rotation de la Terre décrit un cône (comme une toupie).
L'effet de serre naturel et les gaz à effet de serre
La Terre reçoit le rayonnement solaire (principalement visible et UV) et réémet un rayonnement infrarouge (thermique). Certains gaz atmosphériques absorbent ce rayonnement infrarouge et le renvoient vers la surface : c'est l'effet de serre.
Le bilan radiatif de la Terre peut s'écrire de manière simplifiée. L'énergie reçue du Soleil est :
$$P_{\text{reçue}} = \frac{C_S \times \pi R^2 \times (1-A)}{4}$$
où $C_S \approx 1361 \, \mathrm{W \cdot m^{-2}}$ est la constante solaire, $R$ le rayon terrestre et $A$ l'albédo (fraction de rayonnement réfléchi, $A \approx 0{,}30$). À l'équilibre, l'énergie reçue est égale à l'énergie émise.
| Gaz à effet de serre (GES) | Formule | Source naturelle principale | Pouvoir de réchauffement (PRG) |
|---|---|---|---|
| Vapeur d'eau | $\mathrm{H_2O}$ | Évaporation des océans | Variable (amplificateur) |
| Dioxyde de carbone | $\mathrm{CO_2}$ | Respiration, volcans | 1 (référence) |
| Méthane | $\mathrm{CH_4}$ | Zones humides, termites | ~28 |
| Protoxyde d'azote | $\mathrm{N_2O}$ | Sols, océans | ~273 |
La corrélation CO₂ – température : les données des carottes de glace
L'analyse des carottes de glace EPICA (Antarctique) sur 800 000 ans montre une corrélation positive étroite entre les concentrations atmosphériques en $\mathrm{CO_2}$ et les variations de température.
- En période glaciaire : $[\mathrm{CO_2}] \approx 180 \, \mathrm{ppm}$ et température basse (ΔT ≈ −8 °C)
- En période interglaciaire : $[\mathrm{CO_2}] \approx 280 \, \mathrm{ppm}$ et température plus haute
- Aujourd'hui : $[\mathrm{CO_2}] > 420 \, \mathrm{ppm}$ (valeur sans précédent sur 800 000 ans)
Les autres archives climatiques : pollens, coraux, spéléothèmes
Les carottes de glace n'existent que dans les régions polaires. D'autres archives climatiques permettent de reconstituer les paléoclimats à d'autres latitudes et à diverses échelles temporelles.
- Le climat a toujours varié ; les archives géologiques montrent des cycles glaciaires-interglaciaires (~100 000 ans).
- Les proxies climatiques (carottes de glace, pollens, foraminifères, coraux, spéléothèmes) permettent de reconstituer les paléoclimats.
- Les carottes de glace (EPICA : 800 000 ans) enregistrent $\delta^{18}\mathrm{O}$, $\delta D$ et la composition des bulles d'air ($\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$).
- Les cycles glaciaires sont déclenchés par les paramètres orbitaux de Milankovitch (excentricité, obliquité, précession).
- L'effet de serre naturel (+33 °C) est dû aux GES ($\mathrm{H_2O}$, $\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{N_2O}$).
- Il existe une corrélation CO₂ – température sur 800 000 ans ; la concentration actuelle en $\mathrm{CO_2}$ (~422 ppm) est sans précédent.
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