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Lycée · Terminale · Enseignement scientifique

Le climat passé, présent et futur

Reconstituer les climats anciens, comprendre le réchauffement actuel et modéliser les climats futurs (programme de Tle, thème « Science, climat et société »).

À propos de cette page
Ce cours de enseignement scientifique en terminale sur « Le climat passé, présent et futur » suit le programme officiel de enseignement scientifique de terminale. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Reconstituer les climats du passé : les archives naturelles, Les proxies et l'étalonnage des indicateurs, Les variations climatiques passées et leurs causes, Le cycle du carbone et son rôle dans le climat. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de terminale à réussir en enseignement scientifique.
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Reconstituer les climats du passé : les archives naturelles

Les instruments de mesure météorologiques n'existent que depuis environ 150 ans. Pour connaître les climats antérieurs (les paléoclimats), les scientifiques exploitent des archives naturelles : des objets géologiques ou biologiques qui ont enregistré des informations sur l'environnement de leur époque.

Définition — Paléoclimatologie. Discipline qui reconstitue les climats du passé à partir d'archives naturelles (glace, sédiments, êtres vivants) antérieures aux mesures instrumentales.
ArchiveInformation enregistréeÉchelle de temps
Carottes de glace (Antarctique, Groenland)Bulles d'air fossiles (CO₂, CH₄), isotopes de l'eaujusqu'à ~800 000 ans
Sédiments marins (foraminifères)Isotopes de l'oxygène, espèces présentesplusieurs millions d'années
Cernes des arbres (dendrochronologie)Croissance annuelle, température, pluviométriequelques milliers d'années
Pollens (palynologie)Végétation, donc climat régionalplusieurs dizaines de milliers d'années
Astuce. Une carotte de glace est exceptionnelle : elle conserve directement des échantillons d'air ancien dans les bulles emprisonnées, permettant de mesurer la composition réelle de l'atmosphère du passé.
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Les proxies et l'étalonnage des indicateurs

Les archives ne donnent pas directement la température : elles fournissent des grandeurs mesurables, les proxies (indicateurs indirects), reliées au climat par une loi physique ou biologique.

Définition — Proxy. Grandeur physique, chimique ou biologique mesurable, conservée dans une archive, qui sert d'indicateur indirect d'une variable climatique passée (température, précipitations, concentration en gaz).

Le proxy le plus important est le rapport isotopique de l'oxygène, noté $\delta^{18}\text{O}$. L'eau contient deux isotopes : $^{16}\text{O}$ (léger) et $^{18}\text{O}$ (lourd). L'évaporation et la condensation fractionnent ces isotopes selon la température.

Exemple — la glace. Plus le climat est froid, plus la glace polaire est appauvrie en $^{18}\text{O}$ : un $\delta^{18}\text{O}$ bas dans la glace indique une période froide. Dans les coquilles de foraminifères marins, la relation est inversée.
Attention ! Un proxy doit être étalonné (calibré) : on mesure la relation proxy ↔ température sur la période actuelle, puis on l'applique au passé en supposant que cette relation reste valable. C'est le principe d'actualisme.
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Les variations climatiques passées et leurs causes

Les carottes de glace de l'Antarctique (forages EPICA, Vostok) révèlent une alternance régulière entre périodes glaciaires (froides) et interglaciaires (chaudes) sur les 800 000 dernières années.

Paramètres orbitaux (théorie de Milankovitch). Les variations naturelles glaciaire/interglaciaire sont déclenchées par les variations cycliques de l'orbite terrestre : excentricité (~100 000 ans), obliquité (~41 000 ans) et précession (~23 000 ans). Elles modifient la répartition de l'énergie solaire reçue.

Ces forçages orbitaux modestes sont amplifiés par des rétroactions : variations de CO₂, variations de l'albédo (extension des glaces). Le CO₂ amplifie le signal mais ne le déclenche pas dans le passé géologique.

Astuce. Distingue bien le déclencheur (paramètres orbitaux) de l'amplificateur (CO₂, albédo). Aujourd'hui, c'est le CO₂ qui est le moteur principal.
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Le cycle du carbone et son rôle dans le climat

Le carbone circule entre plusieurs réservoirs : atmosphère, biosphère, océans, sols et roches. Les échanges entre réservoirs constituent le cycle du carbone.

Réservoir et flux. Un réservoir stocke une quantité de carbone (en GtC, gigatonnes de carbone). Un flux est un échange entre réservoirs (en GtC/an). À l'équilibre, flux entrants = flux sortants pour chaque réservoir.

Les principaux mécanismes naturels d'échange :

  • Photosynthèse : la biosphère prélève du CO₂ atmosphérique.
  • Respiration et décomposition : restitution de CO₂ à l'atmosphère.
  • Dissolution océanique : l'océan absorbe une partie du CO₂ (pompe physique et biologique).
Attention ! Les activités humaines (combustion d'énergies fossiles, déforestation) injectent dans l'atmosphère un flux de carbone qui n'était plus dans le cycle rapide (carbone fossile stocké depuis des millions d'années). L'océan et la biosphère n'en absorbent qu'environ la moitié : le reste s'accumule dans l'atmosphère.
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Le réchauffement climatique actuel et son origine humaine

Depuis l'ère préindustrielle (~1850), la température moyenne mondiale a augmenté d'environ 1,1 à 1,2 °C. Cette hausse est sans précédent par sa rapidité comparée aux variations naturelles passées.

Origine anthropique. Le GIEC affirme qu'il est « sans équivoque » que le réchauffement observé depuis 1850 est dû aux activités humaines, principalement à l'émission de gaz à effet de serre (CO₂, CH₄, N₂O).

Les arguments scientifiques en faveur de l'origine humaine :

  • La concentration en CO₂ (>420 ppm) dépasse tous les maxima des 800 000 dernières années (~290 ppm).
  • Le carbone ajouté porte la signature isotopique du carbone fossile (appauvri en $^{13}\text{C}$ et $^{14}\text{C}$).
  • Les modèles ne reproduisent le réchauffement observé que s'ils incluent les émissions humaines.
Astuce. La vitesse est l'argument clé : les variations naturelles passées s'étalaient sur des milliers d'années ; le réchauffement actuel se produit en quelques décennies.
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Les modèles climatiques : principe et validation

Un modèle climatique est un programme informatique qui résout les équations physiques décrivant l'atmosphère, les océans, les glaces et la biosphère sur un maillage de la planète.

Définition — Modèle climatique. Représentation numérique du système climatique fondée sur les lois de la physique (conservation de l'énergie, de la masse, dynamique des fluides). Il calcule l'évolution du climat à partir de conditions initiales et de forçages imposés.

La validation d'un modèle est essentielle : on vérifie qu'il reproduit des climats connus (climat actuel, climats passés reconstitués par les proxies). Un modèle qui reproduit correctement le passé est jugé fiable pour le futur.

Attention ! Un modèle n'est pas une prédiction certaine : il fournit des projections assorties d'incertitudes (qualité des données, processus mal connus comme les nuages, choix du scénario d'émissions).
Exemple. Les modèles testés « à l'aveugle » sur le climat de 1850-2020 ne reproduisent la courbe observée que lorsqu'on y inclut le forçage des gaz à effet de serre anthropiques : c'est un test de robustesse réussi.
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Les scénarios climatiques futurs et le rôle du GIEC

Le futur climatique dépend des choix de société (émissions, énergies, démographie). Le GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) construit donc plusieurs scénarios d'émissions et calcule le climat correspondant.

Le GIEC. Organisme international créé en 1988 qui n'effectue pas de recherche propre mais synthétise l'ensemble des publications scientifiques pour fournir aux décideurs un état des connaissances sur le climat.

Ces scénarios montrent que les décisions actuelles ont un impact majeur. L'accord de Paris (2015) vise à limiter le réchauffement nettement en dessous de 2 °C, idéalement 1,5 °C.

Astuce. Le climat futur n'est pas écrit : il dépend du scénario d'émissions choisi. C'est l'articulation entre science (le GIEC) et société (les décisions politiques) qui fait l'objet du thème.
En bref
  • Les archives naturelles (glace, sédiments, cernes, pollens) conservent des proxies (ex. $\delta^{18}\text{O}$) qui, une fois étalonnés, reconstituent les climats passés.
  • Sur 800 000 ans, climat et CO₂ varient de façon couplée ; les cycles glaciaires sont déclenchés par les paramètres orbitaux (Milankovitch) et amplifiés par le CO₂ et l'albédo.
  • Le cycle du carbone relie atmosphère, biosphère, sols et océans ; les émissions humaines déséquilibrent ce cycle.
  • Le réchauffement actuel (~+1,1 °C depuis 1850) est d'origine humaine (CO₂ > 420 ppm, signature isotopique, modèles).
  • Les modèles climatiques, validés sur les climats passés, fournissent des projections selon les scénarios du GIEC : de +1,4 °C à plus de +4 °C en 2100.
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