À propos de cette page
Ce cours de spécialité svt en terminale sur « Les enregistrements géologiques du climat passé » suit le programme officiel de spécialité svt de terminale. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : La nécessité de reconstituer les paléoclimats, Les carottes de glace : archives atmosphériques, Les isotopes de l'eau : le δ18O et le δD comme thermomètres, Les sédiments marins et les foraminifères. 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 spécialité svt.
Au programme
1 · La nécessité de reconstituer les paléoclimats
2 · Les carottes de glace : archives atmosphériques
3 · Les isotopes de l'eau : le δ18O et le δD comme thermomètres
4 · Les sédiments marins et les foraminifères
5 · Les autres archives géologiques du climat
6 · Les grandes variations climatiques du Quaternaire
7 · Les cycles de Milanković : forçage astronomique
8 · Rétroactions et amplification des signaux climatiques
1La nécessité de reconstituer les paléoclimats
Pour comprendre le changement climatique actuel, il est indispensable de le replacer dans une perspective historique sur des dizaines de milliers, voire des millions d'années. On parle de paléoclimatologie : l'étude des climats du passé.
Définition. Un paléoclimat est le climat d'une période géologique passée, reconstitué à partir d'archives naturelles (glace, sédiments, roches, pollens, coraux…).
Les instruments de mesure directe n'existent que depuis quelques siècles au plus. Pour remonter plus loin dans le temps, les scientifiques utilisent des indicateurs indirects, appelés proxies (ou indicateurs paléoclimatiques), qui sont des paramètres physiques, chimiques ou biologiques enregistrés dans des archives naturelles et corrélés à des variables climatiques (température, précipitations, CO₂ atmosphérique…).
Astuce. Un « proxy » n'est pas une mesure directe de la température : c'est une grandeur physico-chimique dont la valeur dépend (de façon calibrée) de la température passée.
Les principaux objectifs sont de :
- Documenter les variations naturelles du climat (ampleur, rythme, durée) avant toute influence humaine significative.
- Identifier les forçages (causes) et les rétroactions climatiques.
- Valider les modèles climatiques en les testant sur le passé.
2Les carottes de glace : archives atmosphériques
Dans les régions polaires (Antarctique, Groenland) et sur certains glaciers de haute altitude, la neige s'accumule couche par couche sans jamais fondre. Sous la pression des couches supérieures, elle se compacte en glace. En forant verticalement dans cette glace, on extrait une carotte de glace qui constitue une archive climatique stratifiée.
Définition. Une carotte de glace est un cylindre de glace prélevé par forage dans un glacier ou une calotte polaire. Chaque couche correspond à une période de dépôt ; la profondeur est corrélée à l'ancienneté.
Les deux principaux sites de forage sont :
- EPICA Dôme C (Antarctique) : carotte de ~3 270 m couvrant environ 800 000 ans.
- GRIP/GISP2/NGRIP (Groenland) : environ 120 000 ans, résolution plus fine.
Les carottes de glace contiennent :
- De la glace formée à partir de la neige (eau piégée) → proxy de température via les isotopes.
- Des bulles de gaz piégées dans la glace → contiennent de l'air ancien, permettant de mesurer directement les concentrations en CO₂, CH₄ et N₂O passées.
- Des poussières, cendres volcaniques, aérosols marins, etc.
Exemple. Dans la carotte EPICA Dôme C, on a pu mesurer que la concentration en CO₂ atmosphérique oscillait entre ~180 ppm (glaciaires) et ~280 ppm (interglaciaires) sur les 800 000 dernières années, avant toute activité industrielle.
Attention ! Il existe un léger décalage temporel entre le gaz (piégé dans les bulles un peu après la formation de la neige) et la glace environnante. Ce décalage peut atteindre quelques milliers d'années et doit être pris en compte dans les interprétations.
3Les isotopes de l'eau : le δ18O et le δD comme thermomètres
L'eau est composée de molécules dont les atomes peuvent être des isotopes différents : $^{16}\text{O}$ (le plus abondant), $^{18}\text{O}$, et pour l'hydrogène : $^{1}\text{H}$ (H) et $^{2}\text{H}$ (D = deutérium). Les molécules légères ($\text{H}_2^{16}\text{O}$) s'évaporent plus facilement ; les molécules lourdes ($\text{H}_2^{18}\text{O}$ ou HDO) ont tendance à se condenser et précipiter en premier.
Définition. Le δ18O (ou δD) d'un échantillon mesure l'écart relatif (en ‰) de son rapport isotopique par rapport à un standard international (SMOW) : $$\delta^{18}O = \left(\frac{({}^{18}O/{}^{16}O)_{\text{éch.}}}{({}^{18}O/{}^{16}O)_{\text{SMOW}}} - 1\right) \times 1000 \text{ (‰)}$$
Interprétation climatique :
- Quand la température est élevée (interglaciaire) : l'évaporation est intense, les précipitations polaires sont relativement riches en $^{18}\text{O}$ → δ18O moins négatif (moins appauvri).
- Quand la température est basse (glaciaire) : les masses d'air s'appauvrissent progressivement en $^{18}\text{O}$ avant d'atteindre les pôles → δ18O très négatif.
Règle pratique. Dans une carotte de glace polaire : δ18O plus négatif → période plus froide ; δ18O moins négatif → période plus chaude. La relation est approximativement linéaire : ~0,7 ‰ par °C.
Le même raisonnement s'applique au δD (deutérium), avec une pente différente (~6–8 ‰ par °C).
Attention ! La relation δ18O–température dans les carottes de glace est calibrée sur des mesures actuelles (gradient spatial) et peut être influencée par d'autres facteurs (saisonnalité, trajectoires atmosphériques), d'où l'importance de croiser plusieurs proxies.
Exemple. Dans la carotte du Groenland (GRIP), un δ18O de −35 ‰ correspond à une période chaude (interglaciaire actuel), tandis qu'un δ18O de −42 ‰ correspond au dernier maximum glaciaire (~21 000 ans avant le présent), soit un écart de ~10 °C.
4Les sédiments marins et les foraminifères
Les fonds océaniques accumulent continuellement des sédiments : débris de coquilles, minéraux terrigènes, matières organiques. En forant dans ces sédiments (programme DSDP, ODP, IODP), on extrait des carottes sédimentaires qui enregistrent des millions d'années de climat.
Les foraminifères sont de petits protistes marins qui construisent une coquille calcaire (test) en CaCO₃. Ils sont d'excellents proxies climatiques pour deux raisons :
Proxy 1 — δ18O des foraminifères. Lors de la biominéralisation, le rapport $^{18}\text{O}/^{16}\text{O}$ incorporé dans la coquille dépend :
- De la température de l'eau (plus l'eau est froide, plus le δ18O de la coquille est élevé).
- Du volume des glaces (plus les calottes sont importantes, plus l'eau de mer est enrichie en $^{18}\text{O}$ car les glaces stockent préférentiellement $^{16}\text{O}$).
Le δ18O des foraminifères intègre donc ces deux signaux :
température + volume des glaces.
Proxy 2 — Assemblages faunistiques. Les espèces de foraminifères ont des niches thermiques précises. La proportion relative des espèces « chaudes » vs « froides » dans un sédiment permet de reconstituer la température des eaux de surface (méthode des assemblages).
D'autres archives sédimentaires existent :
- Grains de pollen dans des tourbières ou des sédiments lacustres → reconstitution des flores et des températures continentales.
- Diatomées (algues siliceuses) → proxies de température et de nutriments dans les mers.
- Coraux : leur squelette calcaire enregistre δ18O et Sr/Ca, proxies de température de l'eau sur quelques centaines d'années.
5Les autres archives géologiques du climat
Au-delà des carottes de glace et des sédiments marins, de nombreuses autres archives permettent de reconstituer les paléoclimats :
| Archive | Proxy mesuré | Informations obtenues |
|---|
| Cernes de croissance des arbres (dendrochronologie) | Largeur et densité des cernes | Température estivale, pluviométrie (quelques milliers d'années) |
| Stalactites / stalagmites (spéléothèmes) | δ18O, δ13C du calcite, épaisseur des couches | Température et précipitations continentales (jusqu'à ~500 000 ans) |
| Sédiments lacustres (varves) | Épaisseur des varves, pollens, diatomées | Saisonnalité, végétation régionale |
| Niveaux marins fossiles (terrasses marines, récifs) | Altitude et âge des paléorivages | Volume des glaces, eustatisme (montées/baisses du niveau marin) |
| Dépôts glaciaires (moraines, tillites) | Extension géographique des moraines | Avancée/recul des glaciers, paléo-températures |
Astuce. La fiabilité des reconstitutions paléoclimatiques augmente quand plusieurs archives convergent vers la même conclusion : c'est la méthode de multi-proxy. On croise carottes de glace, foraminifères, pollens… pour obtenir une image cohérente.
Exemple. Pour le dernier maximum glaciaire (~21 000 ans BP), les moraines en Europe indiquent que le glacier alpin atteignait la plaine de Lyon ; les foraminifères montrent une mer Méditerranée de ~5 °C plus froide ; les pollens révèlent une végétation de type steppique jusqu'en Provence.
6Les grandes variations climatiques du Quaternaire
Le Quaternaire (depuis ~2,6 Ma) est marqué par une alternance de périodes froides (glaciaires) et de périodes plus chaudes (interglaciaires). Ces cycles sont clairement enregistrés dans toutes les archives paléoclimatiques.
On distingue deux grandes périodicités :
- Avant ~1 Ma : cycles dominants à ~41 000 ans (obliquité).
- Depuis ~1 Ma : transition vers des cycles de ~100 000 ans (excentricité), plus amples → les glaciations sont plus longues et plus intenses.
Définition. On appelle MPT (Mid-Pleistocene Transition) le passage, entre 1,2 et 0,7 Ma, de cycles de 41 000 ans à des cycles de 100 000 ans. Ce changement de régime n'est pas encore totalement expliqué.
Pendant les périodes glaciaires :
- La température moyenne globale était environ 4 à 7 °C inférieure à l'actuel.
- Le niveau marin était environ 120 m plus bas (eau stockée dans les calottes).
- Les calottes recouvraient une grande partie de l'Amérique du Nord et du Nord de l'Europe.
- Le CO₂ atmosphérique était ~180 ppm (contre ~280 ppm en interglaciaire naturel).
Attention ! Le réchauffement actuel (+1,1 °C depuis 1850) est de nature différente des variations naturelles : sa vitesse est ~10 à 100 fois plus rapide que lors des transitions glaciaires-interglaciaires naturelles, et il est attribuable à l'augmentation anthropique du CO₂ (420 ppm en 2024).
7Les cycles de Milanković : forçage astronomique
Au début du XXe siècle, l'astronome serbe Milutin Milanković a calculé que les paramètres orbitaux de la Terre varient de façon périodique, modifiant la quantité et la répartition de l'énergie solaire reçue par la Terre (insolation). Ces variations sont le principal forçage orbital des cycles glaciaires.
Les trois paramètres de Milanković :- Excentricité (~100 000 ans) : la forme de l'orbite terrestre oscille entre quasi-circulaire et légèrement elliptique. Quand l'excentricité est forte, la différence d'insolation entre périhélie et aphélie est plus marquée.
- Obliquité (inclinaison axiale) (~41 000 ans) : l'axe de rotation de la Terre oscille entre 22,1° et 24,5° par rapport à l'écliptique. Une obliquité forte amplifie les saisons.
- Précession des équinoxes (~23 000 ans) : l'axe de la Terre « toupie » lentement. Elle modifie la saison pendant laquelle la Terre est au périhélie et donc l'insolation estivale à une latitude donnée.
L'hypothèse de Milanković a été confirmée dans les années 1970 par l'étude des foraminifères (article SPECMAP, 1976) : les périodicités de 100 000, 41 000 et 23 000 ans sont toutes présentes dans les courbes de δ18O des sédiments marins.
Mécanisme clé. Ce n'est pas l'insolation totale qui déclenche une glaciation, mais l'insolation estivale à ~65°N (latitude des grandes calottes). Quand elle est faible, la neige ne fond pas en été, s'accumule et les glaciers croissent (rétroaction albédo).
Exemple. Le dernier maximum glaciaire (~21 000 ans BP) correspond à une configuration où l'insolation estivale à 65°N était minimale. L'interglaciaire actuel (Holocène, depuis ~11 700 ans) correspond à une insolation estivale forte.
8Rétroactions et amplification des signaux climatiques
Le forçage orbital de Milanković ne suffit pas à lui seul à expliquer l'amplitude des glaciations (environ 4–7 °C de différence globale). Des mécanismes de rétroaction positive amplifient le signal initial.
Rétroaction positive : un mécanisme qui amplifie la perturbation initiale (contrairement à une rétroaction négative qui la modère).
Principales rétroactions lors d'un refroidissement :
- Rétroaction albédo–glace : le refroidissement → extension des glaces et neiges → augmentation de l'albédo → moins d'énergie absorbée → refroidissement supplémentaire.
- Rétroaction CO₂ : le refroidissement → l'océan absorbe plus de CO₂ (solubilité augmente avec la baisse de T) → baisse du CO₂ atmosphérique → effet de serre réduit → refroidissement amplifié.
- Rétroaction vapeur d'eau : le refroidissement → moins d'évaporation → moins de vapeur d'eau (GES puissant) → refroidissement supplémentaire.
Attention ! Dans le contexte actuel, ces mêmes rétroactions jouent en sens inverse : le réchauffement → fonte des glaces → réduction de l'albédo → réchauffement supplémentaire. C'est un mécanisme d'amplification du changement climatique anthropique.
La corrélation très forte entre les courbes de CO₂ et de température dans les carottes de glace illustre parfaitement ces rétroactions : les deux variables varient quasi-simultanément (avec un décalage de quelques centaines à milliers d'années).
Bilan. La reconstitution des paléoclimats permet de valider à la fois les forçages (astronomiques, volcanique, solaire) et les mécanismes de rétroactions qui amplifient ou modèrent les variations climatiques. Ces connaissances sont indispensables pour comprendre et projeter le changement climatique actuel.
★À retenir
À retenir :
• Les proxies paléoclimatiques (δ18O, δD, CO₂ des bulles, assemblages de foraminifères, pollens…) permettent de reconstituer les variations de température et de composition atmosphérique sur des centaines de milliers d'années.
• Les carottes de glace (EPICA : 800 000 ans) contiennent de la glace (proxy isotopique de T) et des bulles de gaz (CO₂, CH₄ anciens).
• Le δ18O est moins négatif en période chaude et plus négatif en période froide (dans la glace polaire).
• Les foraminifères enregistrent dans leur δ18O la température ET le volume des glaces.
• Les cycles glaciaires-interglaciaires du Quaternaire (~100 000 ans) sont pilotés par les cycles de Milanković (excentricité, obliquité, précession).
• L'amplitude des glaciations est amplifiée par des rétroactions positives : albédo, CO₂, vapeur d'eau.
• Le changement climatique actuel est d'origine anthropique et se déroule à une vitesse sans précédent dans les archives géologiques récentes.