CHAPITRE 2 :

L’évolution récente de l’atmosphère et du climat.

 Les activités humaines semblent bien être à l’origine du réchauffement climatique constaté actuellement. Collecter des données aussi précises que possible sur les changements climatiques passés est nécessaire pour mettre au point des modèles permettant de prévoir l’évolution climatique en cours et d’éclairer ainsi les choix qui devront être faits par les décideurs. Nous allons voir quelles données permettent d’analyser les changements climatiques « récents », c'est-à-dire survenus au cours des dernières centaines de milliers d’années.

        I.            Les indicateurs des changements climatiques.

A.      Des indicateurs biologiques.

1) données continentales

Le pollen, élément servant à la reproduction des plantes à fleurs, est petit, léger, émis en grand nombre et très résistant à la décomposition.

Le carottage des sédiments continentaux permet de retrouver du pollen (le pollen possède une paroi résistante qui lui permet de se conserver pendant des milliers d’années, dans les milieux humides, les tourbières)  et de le dater.

Un spectre  pollinique (étude de la fréquence de caque type pollinique d’un lieu à une époque donnée) permet de reconstituer l’association végétale présente à une époque donnée et indicatrice du climat particulier régnant.

Le diagramme pollinique (succession des spectres polliniques d’une région) traduit l’évolution, en un lieu, des biomes au cours du temps.

La comparaison des pollens fossiles et des pollens actuels permet d’identifier les végétaux qui se sont succédés au cours du temps dans une région donnée.

En appliquant le principe de l’actualisme (en considérant que les espèces d’autrefois avaient les mêmes exigences climatiques que les espèces actuelles) on peut reconstituer les climats qui se sont succédés au cours du temps (paléoclimat) à partir d’espèces indicatrices.

 A l’échelle du globe terrestre, les grandes zones de végétation tendent à se disposer parallèlement aux zones climatiques et constituent donc des outils pour reconstituer les paléoclimats : les steppes dominées par les graminées, les plantes herbacées sont indicatrices d’un climat froid ; les forêts de feuillus sont liées plutôt aux zones tempérées ; entre les deux, on trouve les forêts de conifères.

Les résultats montrent une alternance de périodes froides assez longues (dites glaciaires) entrecoupées de périodes plus chaudes et plus courtes (dites interglaciaires ou post-glaciaire pour la période actuelle). Les résultats obtenus en différents lieux montrent l’étendue planétaire des changements climatiques.

Les résultats obtenus à partir des pollens confirment ceux obtenus à partir des glaces (voir cours suivant): les variations climatiques sont à l’échelle planétaire.

Il existe d’autres indicateurs de T° : les fossiles humains datés au C14 et dont on peut suivre les migrations, leur art indicateur de leur environnement ; les grands mammifères de zones froides (mammouth, rhinocéros laineux, rennes…) et de zones plus tempérées (cerfs, sangliers, éléphants…) On utilise aussi des données sur les reliefs dus à la présence de glaciers et le dendrochronologie.

2) Organismes marins

a) foraminifères.

Le type de foraminifère ainsi que l’enroulement de certains tests (coquilles) permet de déterminer la température du milieu où ils vivaient.

b) récifs coralliens : des paléo-thermomètres

Les chercheurs utilisent les coraux fossiles comme "paléo-thermomètres". Leur squelette, qui croît d'un centimètre par an en moyenne -et ce, pendant plusieurs siècles- contient des éléments chimiques (strontium et uranium notamment) dont la teneur varie en fonction de la température de l'eau. L'analyse de ces teneurs permet alors de définir, avec une précision de 0,5 °C, les variations thermiques de la mer tout au long de la croissance du corail.

B.       Etude des calottes glaciaires.

Les glaces polaires se forment à partir de l’accumulation de neige au cours des années : le principe de superposition s’applique à leur étude (un carottage permet de remonter le temps).

L’oxygène présente deux isotopes stables, ¹⁸O et ¹⁶O présents en quantités différentes dans l’eau, la glace ou la neige.
On peut mesurer le rapport isotopique de la glace et calculer à partir de ce rapport le δ¹⁸O

Ce δ¹⁸O renseigne sur la richesse relative en ¹⁸O d’un échantillon d’eau ou de glace par rapport à l’eau des océans actuels prise comme référence. Ce δ¹⁸O est un thermomètre isotopique : plus il est négatif, plus la température au moment de la formation de l’échantillon de glace est basse. La relation delta isotopique-température est linéaire et la droite permet de déterminer la température à partir de la connaissance du delta isotopique actuel (principe de l’actualisme).

La vapeur d’eau issue de l’évaporation équatoriale est appauvrie en isotope ¹⁸O, plus lourd. Elle s’appauvrit de plus en plus à la suite des différentes condensations lors de son trajet en direction des pôles. Ainsi, plus les latitudes sont élevées et plus la neige est pauvre en ¹⁸O.
Le δ¹⁸O caractéristique sera d’autant plus grand dans l’eau et faible dans la glace en valeur absolue que le climat est froid.

Relation entre refroidissement et diminution du δ¹⁸O des précipitations en un lieu donné (thermomètre isotopique).

         Le refroidissement en période glaciaire a été global, mais il a été plus important aux hautes latitudes qu'aux basses. L'appauvrissement en vapeur et en H₂ ¹⁸O des nuages lors de leur transport a été plus intense, car avec des températures plus basses on condense plus de vapeur, et donc il en reste moins pour les précipitations suivantes. Pour un site donné, ce refroidissement conduit donc a une diminution du δ¹⁸O des précipitations.

Relation entre volume de glaces polaires et δ¹⁸O des océans.

La glace des calottes polaires est donc toujours appauvrie en H₂ ¹⁸O de 30 à 40 ‰ (δ¹⁸O ~ -40 ‰ = -4 %) environ par rapport à l'eau des océans (avec de petites variations selon la température. Comme la quantité totale de H₂ ¹⁸O (océans + calottes) est constante, plus les calottes sont volumineuses (à δ¹⁸O constant), plus l'eau de mer est, par différence, concentrée en H₂ ¹⁸O.  Au final, le volume des calottes et le δ¹⁸O de la mer varient donc dans le même sens, proportionnellement.

La connaissance de ce delta des glaces a permis d’établir que des cycles climatiques se sont succédés depuis quelques milliers d’années, chaque cycle durant approximativement 100 000 ans.

Un cycle climatique comprend une phase de refroidissement lente et irrégulière qui peut durer environ 90 000 ans (dite période glaciaire) et une période de réchauffement rapide qui peut durer environ 10 000 ans (dite interglaciaire).

L’analyse précise montre 4 périodicités : un cycle de 100 000 ans qui rythme les maxima glaciaires entre lesquels s’insèrent des périodes de 43 000 ; 24 000 et 19 000 ans.

Les résultats observés au niveau des deux pôles sont comparables, ce qui semble confirmer que ces changements climatiques sont globaux.

Remarque : Les foraminifères sont aussi une ressource pour connaître le delta ¹⁸O de l’océan

Le δ¹⁸O des carbonates des tests de Foraminifères benthiques (vivant sur le fond) varie dans le même sens que celui de l’eau de mer actuelle.

Les Foraminifères contenus dans les carottes de sédiments marins permettent d’estimer le volume des glaces depuis environ 1Ma : il a varié de 25millions de km3 dans les périodes interglaciaires, à plus de 65 millions de km3 lors des périodes glaciaires et permettre l’abaissement du niveau marin de plus de 100m.

      II.            Quelques paramètres à l’origine de ces variations climatiques :

A.      L’effet de serre :

On appelle gaz à effet de serre tout gaz atmosphérique ayant la propriété d’intercepter les rayonnements infrarouges émis par la surface terrestre et donc de les empêcher  de repartir vers l’espace. Aux gaz présents « naturellement » dans l’atmosphère (vapeur d’eau, dioxyde de carbone, méthane, protoxyde d’azote, ozone) s’ajoutent des gaz introduits « artificiellement » par les activités humaines : il s’agit en particulier des halocarbures, molécule carbonée contenant un gaz halogène comme les CFC par exemple. 

Cet effet de serre aura tendance à réchauffer la surface de la Terre et la basse atmosphère (troposphère).

B.       L’albédo :

L’albédo est le rapport entre l’énergie solaire réfléchie par une surface et l’énergie solaire incidente. Par définition, l’albédo est une valeur comprise entre 0 et 1 (on peut également l’exprimer en pourcentage).

Plus l’albédo est élevé, plus le rayonnement solaire est réfléchi et moins il réchauffe le sol et l’atmosphère. Actuellement, 30% environ de l’énergie solaire arrivant sur notre planète est réfléchie vers l’espace.

Cet albédo est un phénomène qui tend au refroidissement de la surface du globe terrestre et de la basse atmosphère.

  III.            Combinaison albédo et effet de serre : un mélange subtile pour expliquer les variations climatiques :

Nous avons vu le principe de l’effet de serre et celui de l’albédo, ces deux phénomènes s’opposent au niveau climatique : l’un permet le réchauffement climatique, l’autre le refroidissement climatique. De plus il y a une amplification de leur action au cours du temps.

En effet, en période glaciaire, la glace couvre une grande partie des continents, celle-ci a un fort albédo ce qui entraîne une perte d’énergie (la majeure partie de l’énergie solaire incidente est renvoyée dans l’espace sans que celle-ci n’est échauffé le sol.), ceci-entraînera une baisse des températures qui engendrera une augmentation de la surface terrestre recouverte par la glace et donc un albédo encore plus important sur la surface globale de la planète…

A l’inverse, un réchauffement provoque la fonte des glaces polaires, cette fonte découvre une surface plus sombre (la mer ou le sol) ayant un plus faible albédo. L’énergie solaire réfléchie étant moindre, le sol ou l’eau se réchauffent, ce qui accélère d’autant la fonte des glaces et diminue encore l’albédo…

Un phénomène pouvant abaisser l’albédo de la surface du globe terrestre par réchauffement climatique est bien sûr l’effet de serre.

Cet effet de serre a un impact de plus en plus important sur le climat global.

La concentration atmosphérique en CO₂ est soumise à des influences multiples. Elle est un bon exemple de la complexité des phénomènes en cause.

Outre les sources naturelles de CO₂ (volcanisme, respiration et fermentation biologiques…), les sources anthropiques de CO₂ (déforestation, utilisation combustibles fossiles…) on tendance à augmenter sa concentration atmosphérique. Les « puits » de CO₂ ont un effet inverse (ex : végétaux chlorophylliens captant CO₂, océans…) ; jusqu’à une époque ces flux de CO₂ atmosphériques entrant et sortants étaient équilibrés, aujourd’hui ils sont perturbés par l’activité humaine.

Depuis la fin du XIXème siècle, la concentration en gaz à effet de serre augmente et cette augmentation s’accélère depuis les années 1970. En effet, les teneurs actuelles en CO₂, CH₄ et N₂O n’ont jamais été aussi fortes depuis 800000 ans. Parallèlement on mesure une augmentation mondiale moyenne de la température de +0.5°C environ. Cette simultanéité entre industrialisation croissante, augmentation de la concentration des gaz à effet de serre et réchauffement climatique plaide en faveur d’une origine essentiellement anthropique pour expliquer cette augmentation de la température (mais bien sûr d’autres sources de CO₂ enrichissent l’atmosphère).

L’Homme devra donc agir de manière raisonnée pour éviter de grandes perturbations climatiques. Différents scénarii sont proposés (voir TP)

Remarque : albédo et effet de serre ont un impact aussi bien local (nuages, volcanisme...) que global.

    IV.            D’autres paramètres à l’origine des variations climatiques :

Les variations cycliques des paramètres orbitaux de la Terre

Les changements des paramètres orbitaux au cours du temps entraînent des variations rythmiques de l’insolation reçue par la Terre qui sont à l’origine de l’alternance des phases glaciaires et interglaciaires durant les 700 000 dernières années.

Les paramètres orbitaux varient avec une périodicité différente : 100 000 ans pour l’excentricité (une excentricité nulle correspond à une période glaciaire, une excentricité maximale à une période interglaciaire, car marquée par des saisons plus contrastées),      41 000 ans pour l’obliquité et 23 000 ans pour la précession des équinoxes.

Si l’insolation reçue par la Terre diminue, la neige tombée en hiver au niveau des hautes latitudes de l’hémisphère Nord, ne fond plus complètement l’été et commence à s’accumuler : c’est le début d’une période glaciaire.

Le refroidissement d’origine astronomique entraîne une extension des glaces continentales et par suite une augmentation de l’albédo ; la planète réfléchit davantage le rayonnement solaire, en absorbe moins, ce qui amplifie le refroidissement.

Le réchauffement a des effets inverses.

Le refroidissement d’origine astronomique entraîne un refroidissement des eaux de surface océaniques et par suite une baisse de la teneur en CO₂ de l’atmosphère (plus grande solubilité dans l’eau froide) d’où une baisse de l’effet de serre qui amplifie le refroidissement.

Le réchauffement a des effets inverses.

Les changements climatiques des 700 000 dernières années sont initiés par les variations de l’insolation dues aux paramètres orbitaux et amplifiés par l’albédo et l’effet de serre.

Résumé : en période glaciaire, la T° est basse (o) parce que l’énergie solaire incidente est faible (1) et que l’albédo est forte (2) ; la teneur en CO₂ légèrement plus faible et le T° moyenne peu élevée ne permettent qu’un faible développement de la biomasse continentale et marine qui fixe peu de CO₂ (3) et (4), ce qui conduit à une augmentation relative de la teneur en CO₂ de l’atmosphère(5) ; cette augmentation est responsable d’une augmentation de l’effet de serre (6) qui modère alors la baisse de T° de cette période glaciaire (7)

En période interglaciaire, la T° est élevée (0) car l’énergie solaire incidente est élevée (1) et l’albédo est faible (2) ; la teneur en CO₂ élevée associée  à une forte T° favorise un fort développement de la biomasse marine et continentale qui fixe le CO₂ (3) et (4), ce qui conduit à une diminution relative de la teneur en CO₂ de l’atmosphère (5) ; cette baisse est responsable d’une diminution de l’effet de serre (6) qui modère alors la T° de cette période interglaciaire. (7)
d'après Didier, p 26
Dans ce modèle, deux paramètres principaux interviennent: l'énergie solaire incidente et la teneur en CO₂ de l'atmosphère.

       V.            Les prévisions climatologiques pour les siècles à venir

Les enjeux environnementaux, économiques et de société liés à la connaissance des climats futurs sont colossaux. L’identification des paramètres qui contrôlent le climat de la Terre tout au long de son histoire est essentielle pour construire des modèles climatologiques du passé ou prévisionnels.

L’ensemble des études climatologiques réalisées sur le Quaternaire ou sur des périodes plus grandes et plus reculées montre l’importance du taux de CO2 sur le climat.

Les prévisions climatiques doivent donc prendre en compte :

- la variation naturelle du climat à grande échelle temporelle, avec l’entrée, il y a depuis 20 millions d’années, dans une période de refroidissement amorcée avec l’installation de la calotte Antarctique.

- et l’activité humaine, à très petite échelle temporelle, avec notamment :

o les rejets de CO2 liés à la combustion d’énergie fossile (charbon, pétrole) et de bois

o la fabrication de ciment entre autres, à partir de calcaire et donc la libération dans l’atmosphère de CO2

o la déforestation qui limite l’absorption du CO2 par photosynthèse.

Cette libération brutale de CO2 atmosphérique supplémentaire serait à l’origine d’une élévation de température de 0.6°C depuis 1850, époque des débuts de la révolution industrielle et des premières utilisations de combustibles fossiles.

Les scénarii d’évolution de la température moyenne du climat suggèrent un réchauffement de l’ordre de 2 à 5°C au cours du XXI siècle qui se superposerait donc à un refroidissement naturel amorcé il y a 20 millions d’années.