Depuis environ 150 ans (ce qui correspond à la révolution industrielle), on observe une augmentation de la température globale terrestre d’environ 1°C. En France, cette augmentation est d’environ 3°C.

Parallèlement, la quantité de CO2 atmosphérique a presque doublé. Cette augmentation de la concentration atmosphérique de CO2 et d’autres gaz à effets de serre (GES) est due à une perturbation du cycle biogéochimique du carbone : Les puits de carbone sont insuffisants pour compenser les émissions humaines de GES. Du CO2 est donc stocké dans l’atmosphère, augmentant l’effet de serre et réchauffant la planète.

Si ces perturbations récentes sont principalement d’origine anthropiques (= humaines), les variations climatiques sont fréquentes à l’échelle des temps géologiques. Leur étude permet donc de déterminer les facteurs qui en sont responsables et d’évaluer la part de responsabilités de l’Homme dans les modifications climatiques actuellement observées.

Chapitre I : Reconstituer et comprendre les variations climatiques du Quaternaire.

Le Quaternaire est la période géologique dans laquelle nous nous trouvons et qui a débuté il y a 2.6 Ma.
Elle se caractérise par des alternances de périodes froides (glaciaires) et plus douces (interglaciaires).

La dernière période glaciaire, appelée le Würm a commencé il y a 120 000 ans et s’est terminée il y a 11 000 ans. Le maximum glaciaire a été atteint il y a 20 000 ans avec :

  • Extension d’une calotte glaciaire sur toute l’Europe du Nord
  • Un niveau de la mer 120 m plus bas que l’actuel : en effet en période glaciaire, le volume de glaces de mer augmente, ce qui diminue le niveau marin.

 

I-  Les indices permettant de reconstituer les climats passés

Rappels : Le principe d’actualisme.

A-     Indices préhistoriques

Activité 1 : Indices paléontologiques et géologiques

Les hommes préhistoriques représentaient sur les parois des grottes les animaux qu’ils côtoyaient.
Or on retrouve dans le sud de la France, des peintures rupestres représentant des mammouths, des rennes, des pingouins ….  et autres espèces sont les représentants actuels vivent en milieu froid et secs : le principe d’actualisme permet donc d’affirmer que, à l’époque de la réalisation de ces peintures, le climat était froid.

Pingouins de la grotte Cosquer (calanque de Morgiou – Marseille)
D’ailleurs, si vous n’avez pas visité la réplique de la grotte Cosquer à Marseille, allez-y, c’est vraiment bien fait !

 

B-     Indices géologiques : les traces d’anciens glaciers

Un glacier est une masse de glace formée par accumulation et compaction de nombreuses couches de neige année après année. Retrouver des traces de glacier indique donc une période froide.

Ces glaciers se déplacent au cours du temps, érodant les roches alentours qui présentent des stries caractéristiques : on les appelle alors roches striées.

De plus, l’érosion due à l’avancée du glacier, forme des vallées en U caractéristiques des anciens glaciers

Des blocs rocheux de toutes tailles sont arrachés et transportés par l’avancée du glacier et s’accumulent à l’aval et sur les bords du glacier générant une formation rocheuse appelée moraine.

Les glaciers peuvent aussi transporter et déposer de gros blocs de roches loin de leur lieu de formation. Ces blocs sont appelés blocs erratiques

Les roches striées, vallées en U, moraines et blocs erratique sont donc des témoins de la présence ancienne d’un glacier, et donc d’une période froide.

 

Par ailleurs, lors de la formation des glaces par tassement des neiges, des bulles d’airs se retrouvent emprisonnées : l’air ambiant au moment de la chute des neiges est donc fossilisé.

L’analyse de ces bulles permet de déterminer les compositions de cet air à l’époque de formation du glacier. On peut notamment connaitre la quantité de CH4 et CO2 , et donc le niveau de l’effet de serre. L’étude des bulles d’air piégées dans les glaces est donc également une méthode de reconstitution des paléoclimats.

Cet outil permet de reconstituer des paléoclimats datant des 400 000 dernières années.

C-     Indices de géologie isotopique : le  ∂O18

TP1 – Thermométrie isotopique + Correction

C.1- Définition du ∂O18

L’atome d’oxygène possède plusieurs isotopes. A l’état naturel, les 2 isotopes majoritaires sont O16 et O18.   Ces deux isotopes ont une masse atomique différentes car ils n’ont pas le même nombre de neutrons : O18  est plus lourd qu’ O16 . Une molécule d’eau contenant du O18 est donc plus lourde qu’une molécule d’eau contenant du O16.

Ainsi :
– Une molécule d’eau contenant du O16 s’évapore plus facilement qu’une molécule contenant de l’ O18
– Une molécule d’eau contenant du O18 précipite plus facilement qu’une molécule contenant de l’ O16

Ce phénomène entraine un fractionnement isotopique, c’est-à-dire une séparation des différents isotopes, en fonction de l’eau concernée. On évalue le rapport isotopique (c’est-à-dire le rapport [ O18]/[ O16] ) par le ∂O18

  • L’eau contenue dans les nuages contiendra davantage d’ O16. Son ∂O18 est faible
  • L’eau contenue dans les océans contiendra davantage d’ O18. Son ∂O18 est fort

C.2- Utilisation du ∂O18 des glaces polaires pour déterminer le climat

En période chaude, l’évaporation à l’équateur est suffisamment forte pour évaporer de l’eau contenant de l’O18.  Ainsi, au niveau des calottes polaires, les précipitations contiendront de l’O18 et les glaces auront un fort ∂O18

En période froide, l’évaporation à l’équateur est faible, donc seule l’eau contenant de l’O16 est évaporée. Les précipitations et donc les glaces aux pôles contiendront peu d’O18 et auront donc un faible ∂O18

C.3- Utilisation du ∂O18 d’autres objets que les glaces.

Ce même principe peut être appliqué à d’autres objets que les glaces polaires, par exemple les tests de foraminifères. Les foraminifères sont des microorganismes marins qui forment leur test (= coquille) à partir de l’eau de mer. Le ∂O18 des tests est alors identique à celui de l’eau de mer (et donc opposé à celui des glaces polaires)

Cela implique que :

  • En période chaude, l’évaporation de O18 étant possible, l’eau de mer est appauvrie en O18 et le ∂O18 des tests est donc faible.
  • En période froide, l’évaporation de O18 étant faible, l’eau de mer est enrichie en O18 et le ∂O18 des tests est donc fort.

La méthode du ∂O18 permet de reconstituer des paléoclimats datant des derniers 800 000 ans.

D-     Des indices paléoécologiques : les pollens

TP2 – Palynologie + Correction

Le pollen contient les gamètes mâles des plantes et est recouvert d’une enveloppe d’exine très résistante qui lui permet de se conserver des milliers d’années quand il est enfoui dans des sédiments de milieux humides et/ou dépourvus de dioxygène (c’est le cas des sédiments des fonds des lacs et des tourbières).

Or chaque espèce végétale possède son propre pollen, identifiable par sa forme, son ornementation de l’exine, sa taille …, et chaque espèce végétale possède des préférences écologiques (= climat dans lequel l’espèce se développe).

Ainsi, si on retrouve du pollen d’une espèce dans une tourbière ancienne, on peut l’identifier, et appliquer le principe d’actualisme pour en déduire le climat à l’époque de formation de la tourbière.
En réalité, on se base sur le pollen de plusieurs espèces possédant des préférences écologiques proches.

Cet outil permet de déterminer les conditions paléoclimatiques des 100 000 dernières années.

 

CONCLUSION du I  :
La mise en relation des informations apportées par chacun des outils permet de mettre en évidence une grande concordance des résultats et donc de déterminer de façon précise les paléoclimats des 800 000 dernières années.

On a ainsi mis en évidence qu’au cours des 800 000 dernières années, des périodes froides (périodes glaciaires) ont alterné avec des périodes plus chaudes (période interglaciaire) selon une périodicité remarquable : un cycle de 100 000 ans rythme les glaciations tandis qu’entre maxima glaciaires des cycles de refroidissement/réchauffement sont observés sur des périodes de 43000, 24000 et 19000 ans.

Le prochain « coup de froid » sur la planète est prévu dans plus de 60 000 ans.

 

II- Les causes des changements climatiques depuis 800 000 ans.

A-     Les paramètres orbitaux : théorie de Milankovitch

Activité 2 : Causes des variations climatiques Quaternaire

L’alternance des périodes glaciaires et interglaciaires est aujourd’hui expliquée par les variations des paramètres orbitaux de la Terre, qui font varier la répartition de l’énergie solaire, et donc l’incidence solaire (c’est-à-dire la quantité d’énergie solaire reçue par la Terre en un endroit donné)  : c’est la Théorie de Milankovitch.

Selon Milankovitch, 3 paramètres orbitaux principaux expliquent les variations climatiques observées au Quaternaire.

  • L’excentricité de l’orbite terrestre correspond à l’aplatissement de l’ellipse de rotation de la Terre autour du soleil. Plus l’excentricité est forte, plus les saisons seront marquées
    L’excentricité de l’orbite varie avec une période de 100 000 ans, correspondant aux alternances de périodes glaciaires et interglaciaires

  • L’obliquité correspond aux variations de l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre. Plus elle est forte, plus les saisons seront marquées
    L’obliquité varie avec un cycle de 41 000 ans correspondant aux variations de température des cycle moyens au sein des périodes glaciaires et interglaciaires.

  • La précession des équinoxes correspond à la variation de la direction de l’axe de rotation terrestre.
    Selon sa valeur, les étés dans l’hémisphère nord se passeront à des périodes différentes de l’année (donc à des positions différentes de la Terre par rapport au soleil) et seront plus ou moins chauds
    La précession des équinoxes a une période de 19 000 ans correspondant aux changements de température de courte période au sein des périodes glaciaires et interglaciaires.

Les modifications climatiques des 800 000 dernières années coïncident donc avec les périodes de modification des paramètres orbitaux, ce qui permet d’affirmer que la coordination des paramètres orbitaux est la cause des alternances de périodes glaciaires et interglaciaires.

  • Les éruptions solaires peuvent également influencer le climat car elles modifient la quantité d’énergie solaire arrivant sur Terre

B-     Des mécanismes exerçant un rétrocontrôle.

Activité 2

Globalement, le climat terrestre est contrôlé par la puissance solaire reçue en été par l’hémisphère nord :
En effet, les masses continentales sont principalement réunies dans l’hémisphère Nord.

Ainsi, si l’hémisphère nord est recouvert de glace (car les paramètres orbitaux entrainent un refroidissement), l’ albédo de la planète sera fort, donc la planète réfléchira (et perdra) plus d’énergie et le climat aura tendance à refroidir : « Plus il fait froid, plus il fait froid ».
On parle de boucle de rétroaction ou de forçage négatif des températures.

De plus, le CO2 est plus soluble dans l’eau froide que dans l’eau chaude.
Ainsi en période froide, plus de CO2 est piégé par les océans, il y a donc moins de CO2 atmosphérique  et l’effet de serre diminue, ce qui refroidit la planète : c’est une autre cause de forçage négatif des températures

Suite à la coordination des paramètres orbitaux, l’augmentation de l’albédo et de la solubilité du CO2 ont un effet amplificateur du refroidissement qui entraine les entrées en glaciations

 

Il existe également des forçages positifs de la température : lorsque la température augmente, les calottes polaires fondent et sont remplacées par de la végétation à l’albédo plus faible (donc températures qui augmentent).

Les océans stockeront également moins de CO2 (car solubilité du CO2 plus faible dans l’eau chaude) il y aura donc une augmentation de la concentration de CO2 atmosphérique ce qui augmente l’effet de serre, donc la température.

Suite à la coordination des paramètres orbitaux, la diminution de l’albédo et de la solubilité du CO2 ont un effet amplificateur du réchauffement qui entraine les entrées en période interglaciaires

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