Climats du Quaternaire : glaciations et paramètres orbitaux

Complète avec le mot ou le nombre exact.

1. Une période où la baisse planétaire des températures conduit à une vaste extension des calottes glaciaires est une .
   Une glaciation : c’est la définition du programme.
2. Au dernier maximum glaciaire, la calotte qui recouvrait le Canada est la calotte .
   La calotte laurentidienne, de 3 à 4 km d’épaisseur selon les modèles.
3. La calotte qui recouvrait la Scandinavie et le nord de l’Europe est la calotte .
   La calotte fennoscandienne (ou scandinave).
4. Au dernier maximum glaciaire, les calottes de l’hémisphère Nord atteignaient de 3 à km d’épaisseur selon les modèles.
   De 3 à 4 km au centre des calottes, d’après les modèles.
5. En interglaciaire, la seule grande calotte de l’hémisphère Nord est celle du .
   Celle du Groenland : les calottes de l’Amérique du Nord et de l’Europe du Nord ont fondu.
6. Au dernier maximum glaciaire, le niveau marin était de 120 à m plus bas qu’aujourd’hui.
   De 120 à 135 m selon les reconstitutions : l’eau était stockée dans les calottes.

Raisonne à partir de la situation décrite.

1. Mer 125 m plus bas qu’aujourd’hui, glace épaisse sur la baie d’Hudson : période .
   Période glaciaire : l’eau manquante est stockée dans les calottes de l’hémisphère Nord.
2. Il y a 60 000 ans (valeurs arrondies) : mer environ 70 m plus bas qu’aujourd’hui, CO₂ vers 210 ppm, glace sur le nord du Canada : période .
   Période glaciaire : on est dans la dernière glaciation (−120 000 à −11 000 ans), loin de son maximum ; des valeurs intermédiaires ne font pas un interglaciaire.
3. Aujourd’hui, l’Antarctique est couvert de glace, mais la Terre est en période .
   Période interglaciaire : la calotte antarctique persiste aussi en interglaciaire ; c’est l’état des calottes du Nord qui compte.
4. Au dernier maximum glaciaire, la température mesurée dans un forage au centre d’une calotte polaire de l’hémisphère Nord était environ 23 °C plus basse qu’aujourd’hui (Dahl-Jensen et al., 1998). Le refroidissement moyen du globe était alors (plus fort ou plus faible).
   Plus faible (environ 6 °C) : les hautes latitudes varient bien plus que la moyenne de la planète.
5. La dernière glaciation va d’environ −120 000 à −11 000 ans ; son maximum, vers 26 500-19 000 ans, se situe (au début, au milieu ou vers la fin).
   Vers la fin : les calottes se construisent lentement pendant des dizaines de milliers d’années avant d’atteindre leur extension maximale.

Calcule. On admet : surface des océans 3,6 × 10⁸ km² ; baisse du niveau marin de 120 m au dernier maximum glaciaire ; masse volumique de la glace 0,92 fois celle de l’eau ; nouvelles calottes étendues sur 1,9 × 10⁷ km² (on néglige le recul des côtes).

1. Volume d’eau retiré à l’océan : × 10⁷ km³ (au dixième).
   120 m = 0,12 km ; 3,6 × 10⁸ × 0,12 = 4,32 × 10⁷, soit ≈ 4,3 × 10⁷ km³ d’eau.
2. Volume de glace correspondant : × 10⁷ km³ (au dixième).
   La glace est moins dense que l’eau : 4,32 × 10⁷ ÷ 0,92 ≈ 4,7 × 10⁷ km³ de glace.
3. Épaisseur moyenne des nouvelles calottes : km (au dixième).
   4,696 × 10⁷ ÷ 1,9 × 10⁷ ≈ 2,5 km.
4. Cette épaisseur moyenne est (inférieure ou supérieure) aux 3 à 4 km atteints au centre des calottes.
   Inférieure : une calotte est bombée, épaisse au centre et mince sur ses bords ; 3 à 4 km sont des épaisseurs maximales.
5. Ce volume d’eau représente % du volume actuel des océans, environ 1,3 × 10⁹ km³ (au dixième).
   ${\displaystyle \frac{4,32\times {10}^7}{1,3\times {10}^9}}\approx 0,033$, soit 3,3 % : une petite part de l’océan suffit à faire baisser la mer de 120 m.

Calcule.

1. Entre −600 000 et −100 000 ans, un enregistrement montre 5 cycles complets : durée moyenne d’un cycle ans.
   500 000 ÷ 5 = 100 000 ans : la période de l’excentricité.
2. Entre −2,0 et −1,0 million d’années, un sédiment montre 25 cycles : durée moyenne ans.
   1 000 000 ÷ 25 = 40 000 ans, proche de l’obliquité (41 000 ans) : c’est l’époque des cycles courts.
3. Des maxima d’insolation sont datés de 11, 33, 56 et 77 milliers d’années : période moyenne milliers d’années.
   (77 − 11) ÷ 3 = 66 ÷ 3 = 22 milliers d’années : la période de la précession climatique.
4. Un cycle dure 115 000 ans ; sa terminaison dure 8 000 ans. Le refroidissement qui la précède dure ans.
   115 000 − 8 000 = 107 000 ans : le refroidissement occupe presque tout le cycle.
5. Le CO₂ d’une carotte varie entre 183 et 287 ppm : amplitude ppm.
   287 − 183 = 104 ppm.

Les maxima de température des cinq derniers interglaciaires d’une carotte antarctique sont datés de −11, −128, −243, −337 et −424 milliers d’années.

1. Intervalle entre les maxima de −128 et −11 milliers d’années : milliers d’années.
   128 − 11 = 117 milliers d’années.
2. Intervalle entre les maxima de −424 et −337 milliers d’années : milliers d’années.
   424 − 337 = 87 milliers d’années : les intervalles ne sont pas tous égaux.
3. Période moyenne : milliers d’années (à l’unité).
   5 maxima, 4 intervalles : (424 − 11) ÷ 4 = 413 ÷ 4 ≈ 103 milliers d’années.
4. Le paramètre orbital dont la période est la plus proche est l’.
   L’excentricité (≈ 100 000 ans) ; l’obliquité (41 000 ans) et la précession (19 000 à 23 000 ans) sont bien plus courtes.
5. Sur la même durée, un rythme d’obliquité aurait donné environ intervalles (à l’unité).
   413 ÷ 41 ≈ 10 intervalles, et non 4 : l’obliquité n’est pas le rythme dominant de cet enregistrement.

Situation simplifiée : de −116 000 à −20 000 ans, le niveau marin baisse de 120 m ; de −20 000 à −8 000 ans, il remonte de 120 m.

1. Vitesse moyenne de baisse : m par millénaire (au centième).
   116 000 − 20 000 = 96 000 ans = 96 millénaires ; 120 ÷ 96 = 1,25 m par millénaire.
2. Vitesse moyenne de remontée : m par millénaire.
   20 000 − 8 000 = 12 000 ans, soit 12 millénaires ; 120 ÷ 12 = 10 m par millénaire.
3. La remontée est fois plus rapide que la baisse.
   10 ÷ 1,25 = 8 : le cycle est asymétrique.
4. La baisse occupe % de la durée totale, de −116 000 à −8 000 ans (à l’unité).
   96 000 ÷ 108 000 ≈ 0,889, soit 89 % : un refroidissement long, une remontée courte.
5. Sur une côte basse qui monte de 1 m tous les 500 m vers l’intérieur des terres, le rivage recule pendant la remontée de km par millénaire.
   La mer monte de 10 m par millénaire ; chaque mètre gagné fait avancer l’eau de 500 m : 10 × 500 = 5 000 m, soit 5 km par millénaire.

Complète avec le mot ou le nombre exact.

1. L’écart de la forme de l’orbite terrestre à un cercle se mesure par l’.
   L’excentricité : 0 pour un cercle, environ 0,06 au plus.
2. Aujourd’hui, l’angle entre l’axe de rotation et la perpendiculaire au plan de l’orbite vaut environ °.
   Environ 23,4°, entre ses extrêmes de 22,1° et 24,5°, et il diminue.
3. L’obliquité descend au plus bas jusqu’à °.
   Jusqu’à 22,1°, et monte au plus haut jusqu’à 24,5°.
4. La plus longue période de l’excentricité est d’environ ans.
   Environ 405 000 ans, en plus de celle d’environ 100 000 ans.
5. Sur une orbite parfaitement circulaire, l’excentricité vaut .
   Elle vaut 0 : la distance au Soleil est la même toute l’année.
6. Aujourd’hui, l’orbite terrestre devient lentement circulaire (plus ou moins).
   Plus circulaire : son écart au cercle (0,0167) diminue, et la saison du passage au plus près du Soleil compte de moins en moins pour les étés.

Calcule. Demi-grand axe de l’orbite : a = 149,6 millions de km.

1. Avec e = 0,0167, distance au périhélie : millions de km (au dixième).
   a(1 − e) = 149,6 × 0,9833 ≈ 147,1 millions de km.
2. Distance à l’aphélie : millions de km (au dixième).
   a(1 + e) = 149,6 × 1,0167 ≈ 152,1 millions de km.
3. Écart entre les deux distances : millions de km (au dixième).
   152,1 − 147,1 = 5,0 millions de km (= 2ae).
4. Avec e = 0,058, cet écart deviendrait millions de km (au dixième).
   2ae = 2 × 0,058 × 149,6 ≈ 17,4 millions de km.
5. Pour passer de son maximum à son minimum, l’obliquité met environ ans.
   C’est un demi-cycle : 41 000 ÷ 2 = 20 500 ans.

Calcule. Flux au périhélie ÷ flux à l’aphélie = ((1 + e) ÷ (1 − e))² ; énergie annuelle proportionnelle à 1 ÷ √(1 − e²).

1. Pour e = 0,04, le flux au périhélie dépasse celui de l’aphélie de % (à l’unité).
   (1,04 ÷ 0,96)² ≈ 1,0833² ≈ 1,174 : 17 % de plus.
2. Pour e = 0,058 : % (à l’unité).
   (1,058 ÷ 0,942)² ≈ 1,1231² ≈ 1,261 : 26 % de plus.
3. Pour e = 0,005 : % (à l’unité).
   (1,005 ÷ 0,995)² ≈ 1,020 : 2 % de plus ; la saison du périhélie compte alors très peu.
4. Pour e = 0,04, l’énergie annuelle dépasse celle d’une orbite circulaire de % (au centième).
   1 ÷ √(1 − 0,0016) ≈ 1,0008 : 0,08 % seulement, contre 17 % entre périhélie et aphélie. L’excentricité change surtout la répartition de l’énergie au fil de l’année.

Complète avec le mot ou le nombre exact.

1. Une glaciation s’amorce quand la neige tombée l’hiver vers 65° N ne plus entièrement pendant la belle saison.
   Ne fond plus : la neige s’accumule d’une année à l’autre et forme une calotte.
2. La configuration la plus favorable à une glaciation associe une obliquité (faible ou forte).
   Une obliquité faible : les hautes latitudes reçoivent moins d’énergie en été.
3. Elle associe aussi une excentricité (faible ou forte).
   Une excentricité forte : l’écart de distance entre périhélie et aphélie est alors grand, et un été boréal à l’aphélie devient nettement plus frais.
4. Sur une orbite presque circulaire, l’effet de la sur les saisons devient presque nul.
   De la précession : la distance au Soleil est alors presque la même toute l’année.
5. L’hémisphère Nord porte environ les des terres émergées.
   Les deux tiers environ (67 à 68 %), dont de vastes continents de hautes latitudes où des calottes peuvent s’installer.

Calcule. Insolation du solstice d’été à 65° N sur une orbite circulaire : 486 W·m⁻² pour une obliquité de 23,0°, 500 W·m⁻² pour 23,8°, 494 W·m⁻² pour 23,44°.

1. De 23,0° à 23,8°, l’insolation augmente de % (au dixième).
   (500 − 486) ÷ 486 = 14 ÷ 486 ≈ 0,029 : 2,9 %.
2. Avec 23,44°, e = 0,03 et le solstice d’été à l’aphélie : W·m⁻² (à l’unité).
   494 ÷ 1,03² = 494 ÷ 1,0609 ≈ 466 W·m⁻².
3. Même obliquité et même excentricité, solstice d’été au périhélie : W·m⁻² (à l’unité).
   494 ÷ 0,97² = 494 ÷ 0,9409 ≈ 525 W·m⁻².
4. Écart dû à la seule précession : W·m⁻².
   525 − 466 = 59 W·m⁻², bien plus que les 14 W·m⁻² de la première question.
5. Quand l’été boréal a lieu à l’aphélie, l’été austral a lieu près du .
   Près du périhélie : les deux hémisphères ont leurs étés à six mois d’écart, la précession agit en sens inverse sur eux.

Calcule. Insolation du solstice d’été à 65° N sur une orbite circulaire : 481 W·m⁻² pour une obliquité de 22,7°, 503 W·m⁻² pour 24,0°. Configurations : P (22,7° ; e = 0,045 ; été boréal à l’aphélie), Q (24,0° ; e = 0,045 ; été boréal au périhélie), R (22,7° ; e = 0,015 ; été boréal à l’aphélie).

1. Configuration P : W·m⁻² (à l’unité).
   481 ÷ 1,045² = 481 ÷ 1,092025 ≈ 440 W·m⁻².
2. Configuration Q : W·m⁻² (à l’unité).
   503 ÷ 0,955² = 503 ÷ 0,912025 ≈ 552 W·m⁻².
3. Configuration R : W·m⁻² (à l’unité).
   481 ÷ 1,015² = 481 ÷ 1,030225 ≈ 467 W·m⁻² : l’orbite presque circulaire atténue l’effet de l’aphélie.
4. Rapport Q ÷ P : (au centième).
   552 ÷ 440 ≈ 1,25 : un quart de plus entre les deux configurations extrêmes.
5. La configuration la plus favorable à une entrée en glaciation est (P, Q ou R).
   P : obliquité faible, excentricité forte, été boréal à l’aphélie ; R a la même obliquité mais une orbite trop circulaire pour que l’aphélie compte beaucoup.

Classe chaque phénomène : forçage, rétroaction positive ou rétroaction négative.

1. La variation de l’obliquité de l’axe terrestre : .
   Un forçage : elle ne dépend pas du climat terrestre.
2. Un océan qui se refroidit dissout plus de CO₂, ce qui refroidit davantage : rétroaction .
   Rétroaction positive : la réponse amplifie le refroidissement.
3. Une Terre plus froide émet moins de rayonnement infrarouge vers l’espace : rétroaction .
   Rétroaction négative : perdre moins d’énergie freine le refroidissement.
4. Un air plus chaud contient plus de vapeur d’eau, gaz à effet de serre : rétroaction .
   Rétroaction positive : plus de vapeur, plus d’effet de serre, plus de chaleur.
5. Une grande éruption injecte des aérosols dans la stratosphère : .
   Un forçage : le volcanisme ne dépend pas de la température.
6. La fonte de la neige découvre une toundra sombre qui absorbe plus de rayonnement : rétroaction .
   Rétroaction positive : l’albédo baisse, le réchauffement s’accentue.

Calcule. Puissance absorbée = puissance reçue × (1 − albédo).

1. Sous 480 W·m⁻², une toundra d’albédo 0,20 absorbe W·m⁻².
   480 × (1 − 0,20) = 480 × 0,80 = 384 W·m⁻².
2. La même surface enneigée, d’albédo 0,80, absorbe W·m⁻².
   480 × 0,20 = 96 W·m⁻².
3. La toundra absorbe fois plus que la neige.
   384 ÷ 96 = 4.
4. Sous 300 W·m⁻², l’océan libre (albédo 0,06) absorbe W·m⁻².
   300 × 0,94 = 282 W·m⁻².
5. La glace de mer (albédo 0,60 environ) sous 300 W·m⁻² absorbe W·m⁻².
   300 × 0,40 = 120 W·m⁻² : moins de la moitié de l’océan libre.

Calcule. Une région reçoit 400 W·m⁻² en été. Albédo de la neige : 0,85 ; du sol libre : 0,15. La part enneigée passe de 20 % à 60 % de la surface.

1. Albédo moyen de la région enneigée à 20 % : (au centième).
   0,20 × 0,85 + 0,80 × 0,15 = 0,17 + 0,12 = 0,29.
2. Albédo moyen enneigée à 60 % : (au centième).
   0,60 × 0,85 + 0,40 × 0,15 = 0,51 + 0,06 = 0,57.
3. Puissance absorbée à 20 % : W·m⁻².
   400 × (1 − 0,29) = 400 × 0,71 = 284 W·m⁻².
4. Puissance absorbée à 60 % : W·m⁻².
   400 × 0,43 = 172 W·m⁻².
5. Baisse relative de la puissance absorbée : % (à l’unité).
   (284 − 172) ÷ 284 = 112 ÷ 284 ≈ 0,39 : 39 % de moins, sans que l’insolation ait changé. Ce déficit refroidit la région, qui s’enneige encore : la boucle s’entretient.

Complète avec le mot ou le nombre exact.

1. Le réchauffement rapide qui met fin à une période glaciaire s’appelle une .
   Une terminaison, en une dizaine de milliers d’années environ.
2. En Antarctique, lors de la sortie de glaciation d’il y a environ 240 000 ans, la température précède le CO₂ d’environ ans (Caillon et al., 2003).
   Environ 800 ans (± 200 ans) ; pour la dernière terminaison, on ne trouve aucun décalage significatif.
3. Une grandeur qui varie la première sans dépendre du climat est le .
   Le déclencheur.
4. D’après des simulations, des émissions humaines modérées de CO₂ pourraient retarder la prochaine glaciation d’au moins ans.
   D’au moins 100 000 ans (Ganopolski et al., 2016) : plus le CO₂ est élevé, plus les étés doivent être frais pour qu’une glaciation s’amorce.
5. Sans perturbation humaine, l’Holocène devrait durer encore environ ans (Ganopolski et al., 2016).
   Environ 50 000 ans : l’excentricité, faible, empêche les étés vers 65° N de devenir assez frais.

Valeurs fictives arrondies d’une entrée en glaciation : l’insolation d’été à 65° N commence à baisser vers −126 000 ans ; la neige persiste tout l’été sur le nord du Canada à partir de −119 000 ans ; le CO₂ passe de 274 ppm vers −115 000 ans à 239 ppm vers −105 000 ans.

1. Délai entre le début de la baisse de l’insolation et la neige persistante : ans.
   126 000 − 119 000 = 7 000 ans.
2. Le CO₂ commence à baisser ans après l’apparition de la neige persistante.
   119 000 − 115 000 = 4 000 ans : le CO₂ suit le refroidissement.
3. Baisse moyenne du CO₂ entre −115 000 et −105 000 ans : ppm par millénaire (au dixième).
   274 − 239 = 35 ppm en 10 millénaires : 3,5 ppm par millénaire.
4. Dans cette chronologie, la baisse du CO₂ est une (forçage ou rétroaction).
   Une rétroaction : elle suit le refroidissement et en dépend (un océan plus froid dissout plus de CO₂), puis le renforce.

Calcule. Modèle simplifié (valeurs fictives) : une glaciation s’amorce si l’insolation du solstice d’été à 65° N descend sous un seuil S = 480 − 0,2 × (C − 280), en W·m⁻², où C est le CO₂ de l’air en ppm. Configuration future choisie : obliquité 22,5° (478 W·m⁻² sur une orbite circulaire), excentricité 0,005, solstice d’été boréal à l’aphélie.

1. Seuil pour C = 240 ppm : W·m⁻².
   C − 280 = −40 ; −0,2 × (−40) = +8 : S = 480 + 8 = 488 W·m⁻². Avec moins de CO₂, la glaciation s’amorce plus facilement.
2. Seuil pour C = 420 ppm : W·m⁻².
   C − 280 = 140 ; 0,2 × 140 = 28 : S = 480 − 28 = 452 W·m⁻².
3. Insolation de la configuration choisie : W·m⁻² (à l’unité).
   ${\displaystyle \frac{478}{1,{005}^2}}={\displaystyle \frac{478}{1,010025}}\approx$ 473 W·m⁻² : sur une orbite presque circulaire, l’aphélie retire très peu.
4. Valeur de C pour laquelle le seuil est égal à cette insolation : ppm.
   480 − 0,2 × (C − 280) = 473 ; 0,2 × (C − 280) = 7 ; C − 280 = 35 ; C = 315 ppm.
5. Avec C = 420 ppm, cette configuration (déclencherait ou ne déclencherait pas) une glaciation.
   Elle ne déclencherait pas de glaciation : 473 W·m⁻² reste au-dessus du seuil de 452 W·m⁻². Il faudrait C sous 315 ppm.