Les climats passés de la planète

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1 Chapitre 1 Les climats passés de la planète I. Les changements du climat des dernières années A. Les carottes de glace forées dans les calottes polaires et les carottes sédimentaires des fonds océaniques ou lacustres permettent de reconstituer les variations climatiques des dernières années. 1. Les variations locales de la température a. Les variations locales de la température au-dessus des calottes polaires sont déduites de la composition isotopique de l'oxygène ( 18 O / 16 O) de la glace. Les molécules d eau sont issues de la combinaison à l hydrogène d atomes de 16 O et pour une très faible partie, de son isotope 18 O. La vapeur d eau issue de l évaporation équatoriale est appauvrie en isotope 18 O plus lourd. La vapeur d eau s appauvrit de plus en plus en 18 O à la suite des différentes condensations lors de son trajet en direction des pôles, enrichissant le milieu marin en isotopes lourds. De plus, plus le climat global est froid, plus la condensation des nuages est rapide et donc l appauvrissement de la vapeur d eau en 18 O est important. Ainsi, plus la température est basse et plus les latitudes sont élevées, plus la neige est pauvre en 18 O et plus le δ 18 O calculé d après les teneurs en isotopes 16 O et 18 O est faible. 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 des glaces polaires permet de mesurer les variations du δ 18 O au cours du temps. b. En dehors des pôles, les variations climatiques locales sont déduites de l étude de carottes sédimentaires de lacs ou de tourbières. Le pollen, élément servant à la reproduction des plantes à graines et à fleurs est émis en grande quantité et est très résistant à la décomposition. Dans les régions tempérées, on le retrouve dans les sédiments des lacs et des tourbières. La comparaison des pollens fossiles et des pollens actuels permet d identifier les végétaux qui se sont succédé au cours du temps dans une région donnée et d établir un diagramme pollinique. En pratiquant le principe d actualisme (= les espèces fossiles avaient les mêmes exigences climatiques que les espèces actuelles), on peut reconstituer les climats passés caractérisés par des associations végétales 2. Les variations globales du volume des calottes glaciaires et des glaciers, représentatives des changements climatiques à l échelle de la planète, sont déduites de la composition isotopique de l'oxygène ( 18 O / 16 O) des tests carbonatés dans les sédiments océaniques Au cours d une période froide, les glaces polaires sont très appauvries en 18 O par rapport à l eau océanique. Comme le volume global océan + calotte est constant, plus les calottes sont volumineuses, plus l eau de mer est riche en 18 O. Rechercher le δ 18 O de l eau de mer permet d estimer le volume global des glaces et ses variations. La composition de l eau de mer peut être déterminée par l analyse des squelettes carbonatés des Foraminifères élaborés en utilisant entre autres des atomes d oxygène directement prélevés dans l eau de mer. Plus le δ 18 O des tests carbonatés des carottes de sédiments océaniques est élevé, plus le volume des glaces est élevé et la période froide. B. Les variations climatiques montrent des alternances de périodes glaciaires et interglaciaires

2 L étude des différents marqueurs (isotopiques, paléontologiques ) donne des résultats concordants qui attestent de changements climatiques affectant la totalité de la planète depuis près d un million d années. Des périodes glaciaires assez longues ont alterné avec des périodes interglaciaires chaudes, plus courtes Un cycle de ans rythme les glaciations. Des cycles de réchauffement-refroidissement sont observés entre deux maximums glaciaires avec des périodes de , et ans. C. Bilan explicatif : ces périodicités s'expliquent par les variations régulières des paramètres orbitaux de la Terre ainsi que par des facteurs amplifiant les effets astronomiques 1. Les paramètres orbitaux déterminent la répartition et les variations de l énergie solaire reçue aux différentes latitudes au cours du temps Le degré d aplatissement de l ellipse de l orbite terrestre (= l excentricité qui agit sur le bilan énergétique planétaire), l inclinaison de l axe de rotation de la Terre (= l obliquité, qui a une action sur le bilan énergétique des hautes latitudes et détermine donc les saisons), l orientation de cet axe associée au déplacement de l ellipse de l orbite (cause de la précession des équinoxes qui aboutit à un renforcement des saisons), varient régulièrement. Cela induit des variations périodiques d ensoleillement globales et locales à l origine de l alternance des phases glaciaires et interglaciaires. Par exemple, si l insolation reçue par la Terre diminue, la neige tombée 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. 2. Cependant, les seules variations de l'ensoleillement n'expliquent pas l'amplitude observée des variations de températures et d'autres phénomènes interdépendants modulent l'effet astronomique : les variations de l'albédo de la planète et Les variations de la teneur en CO2 atmosphérique L albédo (rapport entre l énergie totale reçue du Soleil et l énergie réfléchie) est l un des facteurs qui contrôle la température de surface de la Terre. Il est fonction entre autres du couvert végétal et de l'extension des calottes polaires qui eux-mêmes dépendent de la température. En effet, si un refroidissement d origine astronomique entraîne une extension des glaces continentales, la planète réfléchit davantage le rayonnement solaire ce qui amplifie son refroidissement. Le réchauffement a les Le CO 2 participe à l effet de serre de la planète et on observe que les variations de température sont corrélées à des variations de concentration en CO 2. La concentration de CO 2 atmosphérique est en équilibre avec celle de l océan. Lorsque la température augmente, la solubilité du CO 2 dans l océan diminue et du CO 2 passe de l océan dans l atmosphère ce qui induit une augmentation de l effet de serre et une augmentation de la température. Un refroidissement a les Les variations de l albédo et celles de la teneur atmosphérique en CO 2 amplifient les changements climatiques initiés par les variations de l insolation dues aux variations des paramètres orbitaux. II. Les changements climatiques aux plus grandes échelles de temps A. Les variations à courtes échelles de temps vues précédemment se superposent à des variations à beaucoup plus grande échelle de temps.

3 Remarque : Sur une longue période de temps, pour un lieu donné, les variations climatiques observées peuvent être dues aux changements de latitude imposés par la tectonique des plaques. Ces variations locales peuvent aussi être dues à des variations mondiales du climat. On retrouve ainsi dans les roches : des traces de périodes glaciaires : par exemple, au Carbonifère Permien, les tillites (sédiments glaciaires) et les roches striées retrouvées sur plusieurs continents actuels, indiquent la présence permanente d une calotte glaciaire qui recouvrait un continent unique centré sur le pôle sud. Le dépôt de charbons issus de la fossilisation de forêts de fougères arborescentes dans des latitudes tropicales et tempérées indique des conditions de température relativement voisines de l actuel des traces de périodes chaudes : par exemple, au Crétacé, les indices fournis par les fossiles terrestres et marins, les données isotopiques sur la température des eaux océaniques déduites du δ 18 O du test des foraminifères, témoignent de l existence d un climat chaud assez égal sur l ensemble de la planète. des traces de changements brusques du climat comme à la fin du Précambrien B. Les mécanismes des variations climatiques aux grandes échelles de temps impliquent des variations importantes dans la teneur en gaz à effet de serre de l'atmosphère (maximum du CO2 au Crétacé, minimum au Carbonifère par exemple) Les variations de la teneur en CO 2 atmosphérique sont contrôlées en particulier par des processus qui libèrent ou consomment du CO 2 : La précipitation des carbonates libère du CO 2 et la dissolution des carbonates consomme du CO 2 mais la réaction étant équilibrée, précipitation et dissolution se compensent sur quelques millions d années et la teneur en CO 2 atmosphérique est peu influencée par ces processus. L'altération des silicates calciques et magnésiens des roches des reliefs orogéniques consomme du CO 2 et les périodes d importante érosion - comme celle de la chaîne hercynienne au Carbonifère Permien - sont accompagnées de période de baisse de la teneur en CO 2 atmosphérique et de la température. En général, dans un écosystème en équilibre, l utilisation du CO 2 par photosynthèse et le rejet du CO 2 par respiration se compensent. Lorsqu il y a une forte fossilisation de matière organique, le piégeage de cette dernière dans les roches carbonées (charbons, lignite ) stocke du CO 2 et fait baisser l effet de serre, comme au Carbonifère Permien. Le dégazage du manteau par le volcanisme libère du CO 2 dans l océan comme lors de l accroissement de l activité des dorsales au Crétacé - et dans l atmosphère III. Bilan : Envisager les climats du futur L'identification des paramètres qui contrôlent le climat de la Terre est essentielle pour construire des modèles climatiques. Les scénarios d'évolution de la température moyenne de la Terre qui, outre la variabilité naturelle du climat, prennent en compte l'impact de l'activité humaine (émission dans l atmosphère de CO 2 provenant de la combustion des roches carbonées fossiles), prévoient un réchauffement de l'ordre de 2 à 5 C au cours du XXI e siècle. Ce réchauffement à l échelle du siècle se superpose à un refroidissement constant de plus grande ampleur commencé il y a 20 millions d années. La notion de refroidissement ou de réchauffement des climats observé à un moment donné dépend de l échelle de temps à laquelle on l analyse.

4 Thème 2 Du passé géologique à l évolution future de la planète Chapitre 1 Les climats passés de la planète I. Les changements du climat des dernières années A. Les carottes de glace forées dans les calottes polaires et les carottes sédimentaires des fonds océaniques ou lacustres permettent de reconstituer les variations climatiques des dernières années. 1. Les variations locales de la température a. Les variations locales de la température au-dessus des calottes polaires sont déduites de la composition isotopique de l'oxygène ( 18 O / 16 O) de la glace. Les molécules d eau sont issues de la combinaison à l hydrogène d atomes de 16 O et pour une très faible partie, de son isotope 18 O. La vapeur d eau issue de l évaporation équatoriale est appauvrie en isotope 18 O plus lourd. La vapeur d eau s appauvrit de plus en plus en 18 O à la suite des différentes condensations lors de son trajet en direction des pôles, enrichissant le milieu marin en isotopes lourds. De plus, plus le climat global est froid, plus la condensation des nuages est rapide et donc l appauvrissement de la vapeur d eau en 18 O est important. Ainsi, plus la température est basse et plus les latitudes sont élevées, plus la neige est pauvre en 18 O et plus le δ 18 O calculé d après les teneurs en isotopes 16 O et 18 O est faible. 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 des glaces polaires permet de mesurer les variations du δ 18 O au cours du temps. b. En dehors des pôles, les variations climatiques locales sont déduites de l étude de carottes sédimentaires de lacs ou de tourbières. Le pollen, élément servant à la reproduction des plantes à graines et à fleurs est émis en grande quantité et est très résistant à la décomposition. Dans les régions tempérées, on le retrouve dans les sédiments des lacs et des tourbières. La comparaison des pollens fossiles et des pollens actuels permet d identifier les végétaux qui se sont succédé au cours du temps dans une région donnée et d établir un diagramme pollinique. En pratiquant le principe d actualisme (= les espèces fossiles avaient les mêmes exigences climatiques que les espèces actuelles), on peut reconstituer les climats passés caractérisés par des associations végétales 2. Les variations globales du volume des calottes glaciaires et des glaciers, représentatives des changements climatiques à l échelle de la planète, sont déduites de la composition isotopique de l'oxygène ( 18 O / 16 O) des tests carbonatés dans les sédiments océaniques Au cours d une période froide, les glaces polaires sont très appauvries en 18 O par rapport à l eau océanique. Comme le volume global océan + calotte est constant, plus les calottes sont volumineuses, plus l eau de mer est riche en 18 O. Rechercher le δ 18 O de l eau de mer permet d estimer le volume global des glaces et ses variations. La composition de l eau de mer peut être déterminée par l analyse des squelettes carbonatés des Foraminifères élaborés en utilisant entre autres des atomes d oxygène directement prélevés dans l eau de mer.

5 Plus le δ 18 O des tests carbonatés des carottes de sédiments océaniques est élevé, plus le volume des glaces est élevé et la période froide. B. Les variations climatiques montrent des alternances de périodes glaciaires et interglaciaires L étude des différents marqueurs (isotopiques, paléontologiques ) donne des résultats concordants qui attestent de changements climatiques affectant la totalité de la planète depuis près d un million d années. Des périodes glaciaires assez longues ont alterné avec des périodes interglaciaires chaudes, plus courtes Un cycle de ans rythme les glaciations. Des cycles de réchauffement-refroidissement sont observés entre deux maximums glaciaires avec des périodes de , et ans. C. Bilan explicatif : ces périodicités s'expliquent par les variations régulières des paramètres orbitaux de la Terre ainsi que par des facteurs amplifiant les effets astronomiques 1. Les paramètres orbitaux déterminent la répartition et les variations de l énergie solaire reçue aux différentes latitudes au cours du temps Le degré d aplatissement de l ellipse de l orbite terrestre (= l excentricité qui agit sur le bilan énergétique planétaire), l inclinaison de l axe de rotation de la Terre (= l obliquité, qui a une action sur le bilan énergétique des hautes latitudes et détermine donc les saisons), l orientation de cet axe associée au déplacement de l ellipse de l orbite (cause de la précession des équinoxes qui aboutit à un renforcement des saisons), varient régulièrement. Cela induit des variations périodiques d ensoleillement globales et locales à l origine de l alternance des phases glaciaires et interglaciaires. Par exemple, si l insolation reçue par la Terre diminue, la neige tombée 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. 2. Cependant, les seules variations de l'ensoleillement n'expliquent pas l'amplitude observée des variations de températures et d'autres phénomènes interdépendants modulent l'effet astronomique : les variations de l'albédo de la planète et Les variations de la teneur en CO2 atmosphérique L albédo (rapport entre l énergie totale reçue du Soleil et l énergie réfléchie) est l un des facteurs qui contrôle la température de surface de la Terre. Il est fonction entre autres du couvert végétal et de l'extension des calottes polaires qui eux-mêmes dépendent de la température. En effet, si un refroidissement d origine astronomique entraîne une extension des glaces continentales, la planète réfléchit davantage le rayonnement solaire ce qui amplifie son refroidissement. Le réchauffement a les Le CO 2 participe à l effet de serre de la planète et on observe que les variations de température sont corrélées à des variations de concentration en CO 2. La concentration de CO 2 atmosphérique est en équilibre avec celle de l océan. Lorsque la température augmente, la solubilité du CO 2 dans l océan diminue et du CO 2 passe de l océan dans l atmosphère ce qui induit une augmentation de l effet de serre et une augmentation de la température. Un refroidissement a les Les variations de l albédo et celles de la teneur atmosphérique en CO 2 amplifient les changements climatiques initiés par les variations de l insolation dues aux variations des paramètres orbitaux.

6 II. Les changements climatiques aux plus grandes échelles de temps A. Les variations à courtes échelles de temps vues précédemment se superposent à des variations à beaucoup plus grande échelle de temps. Remarque : Sur une longue période de temps, pour un lieu donné, les variations climatiques observées peuvent être dues aux changements de latitude imposés par la tectonique des plaques. Ces variations locales peuvent aussi être dues à des variations mondiales du climat. On retrouve ainsi dans les roches : des traces de périodes glaciaires : par exemple, au Carbonifère Permien, les tillites (sédiments glaciaires) et les roches striées retrouvées sur plusieurs continents actuels, indiquent la présence permanente d une calotte glaciaire qui recouvrait un continent unique centré sur le pôle sud. Le dépôt de charbons issus de la fossilisation de forêts de fougères arborescentes dans des latitudes tropicales et tempérées indique des conditions de température relativement voisines de l actuel des traces de périodes chaudes : par exemple, au Crétacé, les indices fournis par les fossiles terrestres et marins, les données isotopiques sur la température des eaux océaniques déduites du δ 18 O du test des foraminifères, témoignent de l existence d un climat chaud assez égal sur l ensemble de la planète. des traces de changements brusques du climat comme à la fin du Précambrien B. Les mécanismes des variations climatiques aux grandes échelles de temps impliquent des variations importantes dans la teneur en gaz à effet de serre de l'atmosphère (maximum du CO2 au Crétacé, minimum au Carbonifère par exemple) Les variations de la teneur en CO 2 atmosphérique sont contrôlées en particulier par des processus qui libèrent ou consomment du CO 2 : La précipitation des carbonates libère du CO 2 et la dissolution des carbonates consomme du CO 2 mais la réaction étant équilibrée, précipitation et dissolution se compensent sur quelques millions d années et la teneur en CO 2 atmosphérique est peu influencée par ces processus. L'altération des silicates calciques et magnésiens des roches des reliefs orogéniques consomme du CO 2 et les périodes d importante érosion - comme celle de la chaîne hercynienne au Carbonifère Permien - sont accompagnées de période de baisse de la teneur en CO 2 atmosphérique et de la température. En général, dans un écosystème en équilibre, l utilisation du CO 2 par photosynthèse et le rejet du CO 2 par respiration se compensent. Lorsqu il y a une forte fossilisation de matière organique, le piégeage de cette dernière dans les roches carbonées (charbons, lignite ) stocke du CO 2 et fait baisser l effet de serre, comme au Carbonifère Permien. Le dégazage du manteau par le volcanisme libère du CO 2 dans l océan comme lors de l accroissement de l activité des dorsales au Crétacé - et dans l atmosphère III. Bilan : Envisager les climats du futur L'identification des paramètres qui contrôlent le climat de la Terre est essentielle pour construire des modèles climatiques. Les scénarios d'évolution de la température moyenne de la Terre qui, outre la variabilité naturelle du climat, prennent en compte l'impact de l'activité humaine (émission dans l atmosphère de CO 2 provenant de la combustion des roches carbonées fossiles), prévoient un réchauffement de l'ordre de 2 à 5 C au cours du XXI e siècle. Ce réchauffement à l échelle du siècle se superpose à un refroidissement constant de plus grande ampleur commencé il y a 20 millions d années. La notion de refroidissement ou de réchauffement des climats observé à un moment donné dépend de l échelle de temps à laquelle on l analyse.

7 Thème 2 Du passé géologique à l évolution future de la planète Chapitre 1 Les climats passés de la planète I. Les changements du climat des dernières années A. Les carottes de glace forées dans les calottes polaires et les carottes sédimentaires des fonds océaniques ou lacustres permettent de reconstituer les variations climatiques des dernières années. 1. Les variations locales de la température a. Les variations locales de la température au-dessus des calottes polaires sont déduites de la composition isotopique de l'oxygène ( 18 O / 16 O) de la glace. b. En dehors des pôles, les variations climatiques locales sont déduites de l étude de carottes sédimentaires de lacs ou de tourbières. 2. Les variations globales du volume des calottes glaciaires et des glaciers, représentatives des changements climatiques à l échelle de la planète, sont déduites de la composition isotopique de l'oxygène ( 18 O / 16 O) des tests carbonatés dans les sédiments océaniques B. Les variations climatiques montrent des alternances de périodes glaciaires et interglaciaires C. Bilan explicatif : ces périodicités s'expliquent par les variations régulières des paramètres orbitaux de la Terre ainsi que par des facteurs amplifiant les effets astronomiques 1. Les paramètres orbitaux déterminent la répartition et les variations de l énergie solaire reçue aux différentes latitudes au cours du temps 2. Cependant, les seules variations de l'ensoleillement n'expliquent pas l'amplitude observée des variations de températures et d'autres phénomènes interdépendants modulent l'effet astronomique : les variations de l'albédo de la planète et Les variations de la teneur en CO 2 atmosphérique II. Les changements climatiques aux plus grandes échelles de temps A. Les variations à courtes échelles de temps vues précédemment se superposent à des variations à beaucoup plus grande échelle de temps. B. Les mécanismes des variations climatiques aux grandes échelles de temps impliquent des variations importantes dans la teneur en gaz à effet de serre de l'atmosphère (maximum du CO 2 au Crétacé, minimum au Carbonifère par exemple) III. Bilan : Envisager les climats du futur