Avant-propos. Introduction

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1 Table des matières Préface Avant-propos Introduction iii xvii xix 1 Biogéochimie du système climatique au cours du dernier million d années Introduction La composition de l atmosphère influence le bilan énergétique de la Terre et la dynamique du climat Composition de l atmosphère et variables climatiques ont été largement corrélées dans le passé Les processus déterminant la composition de l atmosphère Reconstitution de la composition de l atmosphère et de la productivité des biosphères marine et continentale au Quaternaire Les archives glaciaires permettent de reconstituer la composition de l atmosphère au cours des derniers 800 ka Une succession de forages a permis de remonter dans le temps (Fig. 1.2) Les principes de l enregistrement dans la glace Les résultats récents du forage EPICA Les archives sédimentaires permettent de reconstituer les productivités biologiques (marine et terrestre) et les dépôts de poussières Productivité marine Productivité terrestre L aérosol désertique Explications : les interactions climat-biogéochimie Cycle du CO La quête du graal des paléoclimatologues : les 80 ppmv!

2 x Paléoclimatologie Le phasage dans le temps des différents mécanismes permet en partie de contraindre le système À plus courte échelle de temps, des variations rapides du CO 2 atmosphérique Cycle du méthane Cycle de l azote Au cours du Quaternaire, N 2 O varie en phase avec CH 4 et CO L azote comme élément nutritif limitant la productivité marine Cycle du soufre L aérosol désertique Le sel de mer Cryosphère et niveau marin Introduction Qu est-ce qu une calotte glaciaire? Quelques définitions de termes glaciologiques De quoi dépend le niveau des mers? Mécanismes en jeu dans l évolution d une calotte Reconstructions du niveau des mers et des calottes du passé Les données qui permettent de reconstruire la géographie des calottes passées Les derniers 50 millions d années Les trois derniers millions d années Scénario du dernier cycle glaciaire-interglaciaire Le Laurentide La Fennoscandie L Antarctique Le Groenland Conclusions L évolution des climats à l échelle des temps géologiques L évolution des climats depuis 4,56 milliards d années Les reconstructions paléogéographiques La valse des continents L outil paléomagnétique, les tests et les incertitudes La topographie des continents À partir de la flore À partir des sédiments érodés À partir de mesures isotopiques Les variations eustatiques et les passages maritimes Un survol des visages de la Terre à travers les âges

3 Table des matières xi 3.3 Impact des changements paléogéographiques sur l évolution climatique La dérive des continents Changements paléogéographiques et circulation océanique La fermeture des passages maritimes L influence des mers épicontinentales Impact des mouvements verticaux de la croûte sur le climat Tectonique, climat et érosion Les effets indirects des changements paléogéographiques Conclusion La modélisation en paléoclimatologie Pourquoi construire des modèles en paléoclimatologie? Quelques notions de base en modélisation Vocabulaire Systèmes dynamiques Climat et déterminisme Les contours d un modèle de climat Choix d un sous-ensemble du système climatique : modèle et conditions aux limites Couplages entre plusieurs composantes Comparaison aux données paléoclimatiques Modèles de circulation générale, modèles complexes du système Terre Équations, discrétisation et paramétrisations : exemple des modèles de circulation générale atmosphérique Vers un modèle «intégré» du système Terre Modélisation «réaliste» des paléoclimats Conditions aux limites conditions initiales Exercices de comparaison des modèles Comparaison aux reconstructions paléoclimatiques Expériences de sensibilité Perspectives Modèles du système Terre de complexité intermédiaire (EMICS) Principes de base et historique Exemples de simulations longues et d étude de sensibilité aux forçages Exemple d utilisation de modèles de complexité intermédiaire pour l exploration d une multitude de forçages ou de paramètres : exploration d un «espace des phases»

4 xii Paléoclimatologie Perspectives Modèles conceptuels Le modèle de Budyko/Sellers Le modèle de Stommel (1961) Le modèle de Welander Conclusions et perspectives Le climat au Précambrien Les indicateurs climatiques La théorie du paléothermostat Les grands événements climatiques du Précambrien De 4,5 à 2,4 Ga Le grand événement d oxydation (GEO) Le Protérozoïque La fin du Protérozoïque : les glaciations globales L entrée en glaciation Pendant la glaciation La sortie de glaciation Conclusion Les climats du Phanérozoïque Les proxies du climat Phanérozoïque Indicateurs sédimentologiques Indicateurs isotopiques Le δ 18 O des carbonates Le δ 18 O des phosphates La méthode isotopique carbonate «clumped» ou méthode du (Δ 47 ) Les indicateurs isotopiques indirects Le δ 13 C des sédiments carbonatés Le rapport isotopique 87 Sr/ 86 Sr des sédiments carbonatés Le niveau de CO 2 atmosphérique Les grands modes climatiques du Phanérozoïque et leurs causes possibles Les causes des modes climatiques froids Les causes des modes climatiques chauds Le paléothermostat terrestre au Phanérozoïque Le climat du Paléozoïque : chronologie des grandes tendances et leurs causes La glaciation fin-ordovicien Le climat du Dévonien La glaciation Permo-Carbonifère La fin du Paléozoïque Le Mésozoïque

5 Table des matières xiii Le Cénozoïque Les événements climatiques courts du Phanérozoïque La transition Callovien-Oxfordien (Jurassique moyen-jurassique supérieur) La limite Crétacé-Tertiaire, la météorite et les éruptions fissurales du Deccan Le maximum thermique de la transition Paléocène-Eocène (PETM) Conclusions Climat et cycles astronomiques Un peu d histoire De la découverte des glaciations aux premières théories du climat De Adhémar à Milankovitch : le rôle de l insolation De Tyndall à Arrhénius : le rôle du gaz carbonique Paramètres astronomiques et insolation Excentricité Obliquité Précession des équinoxes et précession climatique Calculs d insolation, problème du calendrier Quel forçage astronomique pour le climat? Les succès et les difficultés de la théorie de Milankovitch De l hypothèse à la preuve Un système quasi-linéaire pour la précession et l obliquité Le problème des cycles de ans Quelques modèles simples Les progrès récents Le rôle essentiel du CO 2 atmosphérique Vers une synthèse des théories astronomique et géochimique? Les cycles astronomiques pré-quaternaire Conclusions Variabilité climatique rapide : description et mécanismes Des changements climatiques rapides en période glaciaire : événements de Heinrich et de Dansgaard-Oeschger La découverte Les conséquences régionales des événements de Heinrich et de Dansgaard-Oeschger : Atlantique Nord et régions adjacentes Océan Atlantique Continents adjacents Variabilité millénaire en d autres régions du globe

6 xiv Paléoclimatologie Mécanismes Événements de Heinrich Cycles de Dansgaard-Oeschger Des événements abrupts pendant les périodes interglaciaires La découverte Les observations Les mécanismes La modélisation et les conséquences hémisphériques/globales Perspectives Connexions globales Interactions événements rapides grandes transitions climatiques Holocène et perturbation anthropique : introduction Les grandes tendances de l Holocène Les différentes perturbations radiatives L évolution des températures dans les différents enregistrements Événements marquants de l Holocène La fin de la période humide en Afrique Optimum climatique médiéval Le Petit Âge de glace L Anthropocène Reconstructions du climat pour l Holocène Les différentes archives Les archives des sociétés Les indicateurs indirects Les indicateurs directs Les méthodes statistiques pour les reconstructions climatiques Simulations du climat Simulations de l Holocène Les grandes tendances Quelques périodes de référence et l analyse des rétroactions Rétroactions liées à la neige, à la végétation et à la glace de mer dans les hautes latitudes La mousson et les rétroactions de l océan et de la végétation Le rôle de l océan Le rôle de la végétation La végétation et la fin de la période humide en Afrique

7 Table des matières xv Le climat récent (derniers siècles) Caractères de la variabilité climatique La circulation des extra-tropiques Le Pacifique équatorial (ENSO) Les extrêmes climatiques par rapport à la moyenne Questions ouvertes à l aube du xxi e siècle Météo ou climat Détection et attribution du changement climatique Des climats du passé aux climats du futur Observations du climat des dernières décennies : premiers indices d un réchauffement Évolution des gaz à effet de serre Évolution de la température de surface Évolution de la température dans la troposphère Précipitations et bilan hydrique Les événements extrêmes Extrêmes de température Extrêmes de précipitation Évolution de la cryosphère La couverture neigeuse Évolution de la banquise Le pergélisol Les glaciers Les calottes polaires Évolution du niveau marin Modélisation climatique et changements récents Les modèles climatiques radiatifs simples et leurs limites Les modèles de circulation générale : progrès et limites L évolution des modèles climatiques Quelles sont les incertitudes propres aux modèles de climat? Simulation du climat actuel et des évolutions récentes Climat moyen Variabilité du climat Évolution récente du climat Prévoir le devenir du système climatique Réponse climatique à un doublement de CO 2 : forçage et rétroactions Les scénarios d évolution des forçages Le cycle du CO Les prévisions climatiques en

8 xvi Paléoclimatologie Ce que disent les modèles : principales caractéristiques climatiques Amplitude du réchauffement Distribution géographique des changements de température Évolution des précipitations Évolution des tempêtes Évolution de la glace de mer Évolution de la glace continentale Le niveau des mers Expansion thermique Variations locales liées aux variations de densité de l océan et aux changements de dynamique Variations liées à la glace continentale Le climat des prochains millénaires : vers une modélisation intégrée du système Terre Évolution climatique : la perturbation anthropique vs. les variations d insolation Le devenir lointain des calottes polaires : impact et irréversibilité