Du passé géologique à l évolution future de la planète

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1 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - 1 T erm S Spé Enseignement obligatoire Paris en 2100? D après SVT Term S Spé., Editions Bordas Du passé géologique à l évolution future de la planète DOSSIER 3 - Sommaire : I/ Les variations climatiques au cours des dernières années L analyse des gaz contenus dans les bulles emprisonnées dans les glaces polaires via le delta 18 O des glaces et l analyse des carottes sédimentaires effectuées au fond des lacs et des tourbières renseignent sur les variations climatiques locales. Les variations climatiques à l échelle planétaire sont appréhendées par l analyse de carottes sédimentaires prélevées au fond des océans via le delta 18 O des carbonates. L origine des variations climatiques mises en évidence par ces techniques est astronomique avec une variation de l orbite de notre planète et terrestre avec des variations de l albédo et du CO 2. Les enregistrements géologiques permettent d identifier les changements climatiques avec une grande résolution, de l ordre d ans. II/ Les changements climatiques aux grandes échelles de temps L approche des variations climatiques à très grande échelle repose sur des analyses sédimentaires avec recherche de traces de glaciers par exemple. L origine de ces variations climatique à grande échelle est liée directement ou indirectement à la tectonique des plaques donc à son activité interne et à l activité externe de la planète c est-à-dire liée aux phénomènes de sédimentation et d érosion. Les enregistrements géologiques permettent d identifier les changements climatiques avec une faible résolution, de quelques millions d années. III/ Les prévisions climatologiques pour les siècles à venir La prévision des climats futurs et leur modélisation nécessitent au préalable l identification qualitative des différents paramètres qui contrôlent le climat, mais également la connaissance de leur importance quantitative. IV/ Les variations du niveau des mers : une conséquence des variations climatiques et de l activité interne du globe Des variations du niveau des mers ont été archivées dans l histoire de la Terre que ce soit à l échelle du million ou du milliard d années. Les facteurs responsables de ces variations sont multiples mais toujours liés directement à l activité interne du globe ou aux variations de températures à la surface de la planète. Samuel Remérand 2002

2 2 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - Introduction La connaissance des climats terrestres futurs avec leur modélisation prévisionnelle nécessite l identification des principaux paramètres responsables des variations climatiques. Cette identification des facteurs responsables des fluctuations climatiques est à rechercher dans l analyse des climats passés ou paléoclimats. Plusieurs outils sont utilisés pour la reconstitution des paléoclimats récents ou plus anciens, à l échelle géologique, locaux ou globaux. Quels sont les outils utilisés pour reconstituer les histoires paléoclimatiques locales et planétaires? Quels sont les facteurs responsables de ces variations climatiques et quelle évolution future des climats peuton raisonnablement envisager? Une des conséquences des variations climatiques est la variation du niveau des mers. Mais les variations climatiques ne peuvent être tenues pour seules responsables de ces variations de niveaux marins, d autres facteurs géologiques interviennent et permettent d expliquer des variations d eustatisme aux échelles de temps géologiques, malgré une apparente stabilité des niveaux marins à l échelle humaine. Quels sont ces facteurs responsables des variations du niveau des mers? I/ Les variations climatiques au cours des dernières années Les dernières années sont marquées par une alternance de périodes glaciaires (présence d une calotte glaciaire aux pôles) et d interglaciaires (disparition de la calotte glaciaire). Nous sommes donc actuellement en période glaciaire!! I-1 La reconstitution des paléoclimats locaux et planétaires La reconstitution de climats passés nécessite la collecte d indices physico-chimiques, polliniques et fossilifères ainsi que l utilisation des deux principes géologiques de datations relatives : le principe de superposition et le principe d actualisme. I-1-1 La reconstitution des climats à l échelle de la région En période glaciaire R L analyse des carottes glaciaires (Doc. 1) permet d une part de reconstituer les paléotempératures au niveau du site de forage, d autre part de connaître les variations de teneur en CO 2 et autres gaz au cours des dernières années. R Les molécules d eau sont issues de la combinaison d atomes d H et d 16 O et, pour une très faible partie, de son isotope 18 O (Doc. 2). L eau évaporée au niveau de l équateur prélève préférentiellement l eau composée d H et d 16 O, plus léger que l eau composée de deux atomes d H et d un atome d 18 O. De plus au cours de son parcours atmosphérique vers les pôles cette vapeur d eau va se condenser puis précipiter. La vapeur d eau condensée la plus lourde, celle qui contient l isotope 18 O, précipitera la première. Plus il fait froid et plus cette vapeur d eau se condensera lors de son trajet, plus la vapeur d eau résiduelle sera appauvrie en 18 O et plus les précipitations ultérieures seront appauvries en d 18 O. Ainsi, en période glaciaire, la neige qui tombe au niveau des pôles est très appauvrie en 18 O, puisque la vapeur d eau aura perdu beaucoup d H 2 18 O au cours de son parcours en direction des pôles. Il existe une corrélation entre le d 18 O et la température de l air. Le δ 18 O de l air, analysé dans les carottes glaciaires, varie dans le même sens que la température, plus le δ 18 O est grand et plus la température est élevée et inversement. R La calotte glaciaire au niveau de l Antarctique provient du tassement de ans de chute de neige (Doc. 3). Au centre de l Antarctique, la température moyenne a varié de 45 C à 53 C. R Lors de sa précipitation, la neige emprisonne des bulles de gaz atmosphériques contemporaines de la chute de neige (Doc. 4). Une analyse des gaz contenus dans ces micro-bulles permet d apprécier la composition atmosphérique de l époque, notamment la composition en CO 2, H 2 O gaz à effet de serre, dont un parallèle avec les variations thermiques a également été démontré.

3 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - 3 Doc. 1 : L analyse des carottes glaciaires permet d estimer la température de l air et de connaître la composition en gaz de l atmosphère à l époque de la chute de la neige considérée. D après SVT Term S Spé., Editions Bordas 2002, modifié Remérand Doc. 2 : La température de l air est corrélée avec le d 18 O de la neige. Ce d 18 O varie dans le même sens que la température. D après SVT Term S Spé., Editions Nathan et Bordas 2002, modifié Remérand 2002.

4 4 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - Doc. 3 : La calotte glaciaire au niveau de l Antarctique provient du tassement de ans de chute de neige. Au centre de l Antarctique, la température moyenne a varié de 45 C à 53 C. D après SVT Term S Spé., Editions Bordas 2002, modifié Remérand Doc. 4 : Lors de sa précipitation, la neige emprisonne des bulles de gaz atmosphériques contemporaines de la chute de neige Une analyse des gaz contenus dans ces micro-bulles permet d apprécier la composition atmosphérique de l époque, notamment la composition en CO 2, H 2 O gaz à effet de serre. D après SVT Term S Spé., Editions Bordas 2002, modifié Remérand Doc. 5 : En périodes glaciaire et interglaciaire, des analyses sont réalisées sur des carottes effectuées au fonds des lacs et dans les tourbières, en utilisant le principe d actualisme. Ces analyses portent sur les pollens ou des gisements de microfossiles de gastéropodes. Un diagramme pollinique permet de reconstituer les fluctuations climatiques au cours du temps. Des analyses de fossiles complètent ces travaux. D après SVT Term S Spé., Editions Bordas 2002, modifié Remérand 2002.

5 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - 5 En périodes glaciaires et interglaciaire R En dehors des calottes pendant les périodes glaciaires et en l absence de calotte lors des interglaciaires, les analyses seront réalisées sur des carottes effectuées au fonds des lacs et dans les tourbières, en utilisant le principe d actualisme (Doc. 5). Ces analyses porteront sur les pollens (palynologie) ou des gisements de microfossiles de gastéropodes. Des spectres polliniques, notamment, permettent de réaliser un «instantané» sur le climat régional à l époque de la sédimentation. Ces différents spectres polliniques superposés forment un diagramme pollinique qui permet de reconstituer les fluctuations climatiques au cours du temps. Des analyses de fossiles complètent ces travaux. I-1-2 La reconstitution des climats à l échelle planétaire Lors de périodes glaciaires, l eau évaporée au niveau de l équateur se retrouve stockée, bloquée dans les calottes (Doc. 6). L océan se retrouve alors enrichi en 18 O, la glace polaire appauvrie. L analyse de l eau de mer via les squelettes des micro-organismes permet d apprécier le volume global et le niveau des océans et donc le climat planétaire. En effet, les micro-organismes marins, récoltés dans toutes les mers du monde, prélèvent l atome d oxygène dans leur milieu de vie pour vivre et notamment pour fabriquer leur «squelette» calcaire en Ca CO 3. Une analyse des sédiments et en particulier des tests calcaires des foraminifères benthiques, qui vivent sur le fond des océans, à température constante, et extraits par carottages, permet ainsi de suivre les variations du d 18 O et donc d estimer la température de l eau de mer de l époque, le niveau des océans et le climat. Il existe une corrélation entre les variations du d 18 O des carbonates et la température de l eau de mer. Le δ 18 O des carbonates, analysé dans les carottes sédimentaires océaniques, varie dans le sens contraire de la température, plus le δ 18 O est grand et plus la température est basse et inversement. Les carottes de sédiments marins ont permis d estimer le volume des glaces et donc indirectement les variations climatiques depuis 1 million d années. Ce volume a varié de 25 millions de km 3 dans les périodes interglaciaires à 65 millions de km 3 pendant les périodes glaciaires. I-2 La concordance des résultats obtenus par différentes analyses permet de retrouver une succession de périodes glaciaires et interglaciaires La superposition des résultats sur les variations climatiques : - régionales, obtenus par analyses du δ 18 O de l air, des carottes sédimentaires des lacs et tourbières, des traces de glaciers (stries, moraines et lœss), des fossiles (Doc. 7) - planétaires, obtenus par les analyses de δ 18 O des carbonates a permis de mettre en évidence une succession cyclique de périodes glaciaires et interglaciaires. Quatre périodicités remarquables se chevauchent (Doc. 7): - un cycle de ans rythme les maxima glaciaires - entre deux maxima des cycles de refroidissement-réchauffement sont observés sur des périodes de , et ans. I-3 L origine de ces variations climatiques cycliques au cours des dernières années Une influence astronomique R La sphéricité de la Terre et sa position par rapport au Soleil est directement responsable des zones climatiques terrestres et de l alternance des saisons (cours Seconde et Doc. 8). R Les variations climatiques cycliques sont d abord d origine astronomique (Doc. 9): - l orbite de la Terre autour du Soleil est plus ou moins elliptique. L excentricité de cette trajectoire (qui mesure l aplatissement de l ellipse) varie de O% (orbite circulaire) à 6% (ellipse légèrement aplatie). Lorsque l orbite est circulaire, le contraste été-hiver est faible car la distance au Soleil ne change pas. Lorsque l orbite est elliptique, le contraste été-hiver est plus important car la distance Terre-Soleil est plus ou moins important. Les variations de l excentricité de l orbite terrestre montrent une périodicité de ans et correspondent à la durée de chacune des périodes glaciaires aux cours des dernières années. - L obliquité, angle qui caractérise l inclinaison de l axe de rotation de la Terre par rapport au plan de l écliptique (plan de déplacement de la Terre autour du Soleil) de l orbite terrestre,

6 6 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - Doc. 6 : Une analyse des sédiments et en particulier des tests calcaires des foraminifères benthiques permet ainsi de suivre les variations du d 18 O et donc d estimer la température de l eau de mer de l époque, le niveau des océans et le climat. Le d 18 O des carbonates varie dans le sens contraire de la température. D après SVT Term S Spé., Editions Bordas 2002, modifié Remérand D après SVT Term S Spé., Editions Nathan 2002, modifié Remérand D après SVT Term S Spé., Editions Bordas 2002, modifié Remérand 2002.

7 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - 7 Doc. 7 : La superposition des résultats sur les variations climatiques a permis de mettre en évidence une succession cyclique de périodes glaciaires et interglaciaires dont la périodicité varie de à ans. D après SVT Term S Spé., Editions Didier2002, modifié Remérand D après SVT Term S Spé., Editions Belin 2002, modifié Remérand 2002.

8 8 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - Doc. 8 : L inégale répartition de l énergie solaire reçue à la surface du globe, conséquence de la sphéricité de la Terre, est à l origine des zones climatiques. L obliquité et la rotondité, associées à la rotation autour du soleil, expliquent l alternances des saisons sur Terre et leur différence d un hémisphère à l autre, pour une saison donnée. D après SVT seconde, Editions Belin 2000, modifié Remérand 2002.

9 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - 9 Doc. 9 : Les variations climatiques cycliques de , , et ans sont d abord d origine astronomique. Ces paramètres déterminent la répartition et les variations au cours du temps de l énergie solaire reçue aux différentes latitudes. D après SVT Term S Spé., Editions Nathan 2002, modifié Remérand 2002.

10 10 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - oscille autour de 22 et 25 avec une période de ans. La valeur actuelle de l obliquité est de Ce le mouvement d oscillation de l axe de rotation de la Terre entraîne une variation de la quantité de chaleur reçue à chaque latitude. Plus l axe des pôles est proche de la verticale et plus la quantité de chaleur reçue est importante, inversement plus on s éloigne de la verticale et plus il y a d écart thermique entre les pôles et l équateur, entre hautes et bases latitudes. - la précession des équinoxes est un mouvement complexe qui résulte de la combinaison de 2 mouvements de rotation imbriqués. La précession des équinoxes est un mouvement circulaire de l axe de rotation de la Terre, autour d un axe perpendiculaire au plan de l écliptique. La période de ce mouvement est normalement de ans. Cependant, ce mouvement est combiné à un mouvement de rotation de l orbite de la Terre qui tourne également autour du Soleil, ramène à ans la périodicité de la précession des équinoxes. Ainsi, cette précession des équinoxes (issue d une double combinaison de mouvements) associée à la variation de l excentricité de l orbite terrestre fait varier la distance Terre- Soleil suivant 2 périodes de et ans. Les perturbations cycliques des flux de chaleurs reçus à la surface du globe, directement liées aux variations des paramètres astronomiques, peuvent donc jouer sur les variations climatiques. Cependant, les variations d insolation et donc de température (0.5 C en moyenne) ne sont pas suffisantes à elles seules pour expliquer l ampleur des changements climatiques observés (5 C en moyenne). L effet astronomique n est, semble-t-il, que le facteur déclencheur, et des phénomènes amplificateurs à rétro-actions positives, prendraient le relais et permettraient d expliquer l importance des modifications climatiques enregistrées. Des mécanismes amplificateurs : CO 2 et albédo (Doc. 10) R Le CO 2, comme d autres gaz à effet de serre (CH 4, H 2 O, CFC), joue un rôle primordial dans l établissement des climats en empêchant le retour dans l espace des longueurs d onde ré-émises dans l Infrarouge après contact avec le sol. Ces IR retournent vers le sol et contribuent à augmenter la chaleur de l enveloppe atmosphérique. On constate, effectivement, une forte corrélation entre le taux de CO 2 et la température. Les périodes chaudes s accompagnent d une élévation du taux de CO 2 et les périodes froides d une diminution. De plus, il faut se rappeler que la dissolution du CO 2 dans l hydrosphère diminue avec la température par baisse de sa solubilité. Ainsi, lors d une période de réchauffement initiée par un effet astronomique, la baisse de solubilité du CO 2 dans l eau, entraîne une augmentation de ce gaz dans l atmosphère et donc une accentuation de l élévation de température moyenne de l atmosphère par effet de serre. Le réchauffement climatique s en trouve amplifié. R L albédo (ou la réflectance), rapport entre l énergie reçue et l énergie renvoyée (30% actuellement sur Terre), est un second facteur amplificateur. Plus une surface réfléchie d énergie et moins elle s échauffe. Les radiomètres montrent que les calottes glaciaires sont les zones qui possèdent le plus fort albédo, ce sont donc ces zones qui contribuent le plus à empêcher la Terre de s échauffer et donc qui contribuent le plus à la refroidir. Ainsi, lors d une période de refroidissement initiée par un effet astronomique, la formation des calottes glaciaires s auto-entretient avec l augmentation de la réflectance à la surface du globe. Plus il y a de glace et plus l albédo augmente et donc plus la Terre se refroidit et permet le développement des calottes glaciaires. II/ Les changements climatiques aux grandes échelles de temps Les variations climatiques au cours des dernières années sont suffisamment fines pour avoir une bonne résolution, de l ordre de mille ans. Les paléoclimatologues sont capables de remonter beaucoup plus loin dans le temps mais les indices sont de moins en moins nombreux, de plus en plus imprécis et donc la résolution de moins en moins bonne, de l ordre du million d années. II-1 Les marqueurs de changements climatiques à grande échelle (Doc. 11) Les archives disponibles pour la reconstitution des paléoclimats sont essentiellement, et d après le principe d actualisme, les roches sédimentaires et leur gisement fossilifère dont la formation est liée au climat : - les latérites et la bauxite sont présentes dans des milieux continentaux sous un climat marqué par l alternance d une saison sèche et d une saison très humide, c est-à-dire un climat tropical

11 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - 11 Doc. 10 : La variation cyclique des paramètres orbitaux de la Terre ne suffit pas a expliqué les changements de températures importants mesurés. Des mécanismes amplificateurs parachèvent ces modifications climatiques initiées par les effets astronomiques : modifications du taux de CO 2 et de l albédo. D après SVT Term S Spé., Editions Didier 2002, modifié Remérand Doc. 11 : Des marqueurs de changements climatiques à grande échelle. Présence d une forêt luxuriante = climat équatorial Présence de glacier = climat froid D après SVT Term S Spé., Belin et Bordas Paléoécologie Masson.

12 12 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - - les coraux fossiles témoignent également d un climat tropical, mais cette fois en milieu marin, - le pétrole, le charbon et la houille sont le résultat d un enfouissement de grandes quantités de matière organique produite par une forêt exubérante sous un climat équatorial - les traces de stries et de polissage de roches, la présence de moraines qui donneront après consolidation des tillites, les vallées en U sont les témoins d un ancien glacier. II-2 Les mécanismes qui contrôlent les variations climatiques à grandes échelles géologiques Le climat dépend d effets astronomiques mais surtout de la teneur en CO 2 atmosphérique. Les mécanismes qui consomment du CO 2 favorisent un refroidissement du climat par baisse de l effet de serre (Doc. 12): - la photosynthèse réalisée par les producteurs primaires consomme du CO 2 mais la respiration réalisée par ces mêmes producteurs primaires et les autres maillons des chaînes trophiques compensent cette consommation. Par contre, l enfouissement de la matière organique et la formation de tourbe, houille, charbon et pétrole, piège du CO 2 atmosphérique dans la lithosphère, et contribue ainsi à une diminution de l effet de serre. 6 H 2 O + 6 CO 2 _ C 6 H 12 O O 2 - l altération des carbonates par dissolution transfert du CO 2 atmosphérique vers l hydrosphère: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 _ Ca HCO l altération des silicates des roches magmatiques ou métamorphiques constitutives des chaînes de montagne, consomme également du CO 2 lors du démantèlement des reliefs par érosion. Il y a transfert de CO 2 atmosphérique vers la lithosphère : CaSiO 3 + H 2 O+ 2 CO 2 _ SiO 2 + Ca HCO 3 - Les mécanismes qui libèrent du CO 2 favorisent un réchauffement du climat par augmentation de l effet de serre (Doc. 12): - le volcanisme libère dans l atmosphère de grande quantité de CO 2. Le volcanisme, intraplaque avec les points chauds, sous-marin au niveau des dorsales ou continental dans les chaînes de subduction sont donc une source importante de transfert de CO 2 mantellique vers l atmosphère. - la formation ou précipitation des carbonates transfert du CO 2 hydrosphérique vers l atmosphère: Ca HCO 3 - _ CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Cette réaction de précipitation peut être compenser par la dissolution. - l altération de la croûte océanique libère du CO 2 : CaSiO 3 + Mg HCO 3 - _ MgSiO 3 + H 2 O +CO 2 - la réaction d altération des silicates couplée à la réaction de précipitation des carbonates libère du CO 2 : CaSiO 3 + H 2 O + 2 CO 2 _ SiO 2 + Ca HCO 3 - _ SiO 2 + CaCO 3 + H 2 O+ CO 2 La masse actuelle de CO 2 dans l atmosphère est de 2.82 x kg. Sachant que 1 kg de CaCO 3 contient 440 g de CO 2, les seuls calcaires déposés à l Urgonien dans les Alpes (200 m d épaisseur sur une surface de 1.500km²) contiennent 3.3 x kg de CO 2. L ensemble des calcaires sur Terre représente actuellement 4 x kg de CO 2. La formation de ces calcaires notamment au Crétacé a fait chuter la quantité de CO 2 atmosphérique et de plusieurs ordres de grandeur et diminuer de façon importante l effet de serre. L ensemble des études climatologiques réalisées des grandes périodes montre l importance du taux de CO 2 sur le climat (Doc. 13). II-3 Etude de 2 exemples de changement climatiques aux grandes échelles de temps II-3-1 La glaciation et la forêt permo-carbonifère (Doc. 14) Au Carbonifère (- 350 Ma) et au Permien (- 250 Ma), les continents sont regroupés et plutôt situés vers les latitudes sud.

13 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - 13 Doc. 12 : Les mécanismes qui consomment du CO 2 favorisent un refroidissement du climat par baisse de l effet de serre tandis que ceux qui libèrent du CO 2 favorisent un réchauffement du climat par augmentation de ce même effet de serre. D après SVT Term S Spé., Editions Nathan et Belin 2002, modifié Remérand Facteurs limitant l effet de serre Facteurs favorisant l effet de serre Précipitation des carbonates Ca HCO 3 - _ CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Dissolution des carbonates CaCO 3 + H 2 O + CO 2 _ Ca HCO 3 - Altération des roches magmatique & métamorphique CaSiO 3 +H 2 O+ 2 CO 2 _ SiO 2 + Ca HCO 3 - Dégazage du manteau Libération de CO 2 Stockage de la matière organique 6 H 2 O + 6 CO 2 _ C 6 H 12 O O 2 Altération de la croûte océanique CaSiO 3 +Mg HCO 3 - _MgSiO 3 +H 2 O+CO 2

14 14 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - Doc. 13 : L ensemble des études climatologiques réalisées sur le Quaternaire ou sur des périodes plus grandes et plus reculées montre l importance du taux de CO 2 sur le climat. D après SVT Term S Spé., Editions Bordas 2002, modifié Remérand 2002.

15 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - 15 Doc. 14 : La glaciation et la forêt permo-carbonifère. D après SVT Term S Spé., Editions Nathan 2002 et Bordas 2002, modifié Remérand L altération de la chaîne hercynienne retire du CO 2 comme le piégeage dû la matière organique sous forme de charbon. L effet de serre diminue, la chute de la température permet la mise en place dune calotte glaciaire qui accélère le processus de refroidissement par augmentation de l albédo. La baisse de température augmente la solubilité du CO 2 qui diminue encore c est un phénomène auto-entretenu.

16 16 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - A cette époque l Europe et notamment la France se trouve au niveau de l équateur comme en témoignent de nombreuses archives géologiques : gisements houillers (Lorraine) et roches sédimentaires à coraux. L Amérique du sud, l Afrique et l Antarctique étaient près du pôle sud comme en témoignent les formations morainiques, les tillites et les nombreuses stries glaciaires retrouvées sur ces continents et datés de la même époque. La présence d une forêt permo-carbonifère exubérante, signe d un climat tropical, et de traces de glaciers, témoins d une glaciation de grande ampleur, s explique facilement. La croissance importante de la végétation pompe du CO 2 qui retourne en grande partie par respiration dans l atmosphère. Mais le piégeage de la matière organique dans les dépôts de charbon soustrait finalement une quantité colossale de CO 2. De plus, à cette époque, l altération de la chaîne de montagne hercynienne retire encore du CO 2 atmosphérique. L effet de serre, à cette époque, diminue donc et induit un climat plus froid. Les continents aux latitudes plus au sud qu à l heure actuelle sont alors recouverts d une calotte glaciaire qui favorise l augmentation de l albédo et donc accentue le refroidissement du climat. Enfin, la baisse de température permet un transfert plus important de CO 2 atmosphérique dans l océan en augmentant la solubilité du CO 2 dans l eau. II-3-2 La période chaude du Crétacé (Doc. 15) A la période froide du Permien, suit une période chaude qui dure de 250 Ma à 40 Ma., période également marquée par une importante transgression marine. La planète est entièrement dépourvue de calotte glaciaire. A cette époque des coraux se retrouvent à des latitudes de 40 N. L Alaska et le Groenland situés au-dessus de 50 N sont recouverts de forêts de palmiers caractéristiques de climats chauds. Le climat très chaud témoigne d un accroissement du taux de CO 2 atmosphérique. Cet enrichissement en CO 2 est à mettre en parallèle avec une augmentation de l activité volcanique : fort taux d expansion des dorsales océaniques et gigantesques épanchements basaltiques sous-marins et continentaux (Trapps du Deccan). Cette activité interne accrue transfert du CO 2 du manteau vers l atmosphère. La formation abondante de roches carbonatées et la faiblesse relative de l altération chimique en l absence de phase orogénique (formation de chaîne de montagne) contribue à la libération de CO 2 et son maintient à un taux élevé. De plus l élévation de température baisse la solubilité du CO 2 atmosphérique dans l océan et entretient un fort taux de CO 2 atmosphérique. Enfin, les nombreuses forêts baissent l albédo et accélèrent le réchauffement. La température moyenne à la surface du globe au Crétacé était supérieure d environ 10 C à la température moyenne actuelle, de 14 C. III/ 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 CO 2 sur le climat (Doc. 13). Les prévisions climatiques doivent donc prendre en compte (Doc. 16): - 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 CO 2 liés à la combustion d énergie fossile (charbon, pétrole) et de bois o la fabrication de ciment à partir de calcaire et donc la libération dans l atmosphère de CO 2 o la déforestation qui limite l absorption du CO 2 par photosynthèse. Cette libération brutale de CO 2 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.

17 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - 17 Doc. 15 : Le climat au Crétacé. D après SVT Term S Spé., Editions Nathan 2002 et Bordas 2002, modifié Remérand Une augmentation de l activité volcanique libère une grande quantité de CO 2 dans l atmosphère (et une transgression). La formation abondante de roches carbonatées et la faiblesse relative de l altération chimique en l absence de phase orogénique contribue à la libération de CO 2 et son maintient à un taux élevé. De plus l élévation de température baisse la solubilité du CO 2 atmosphérique dans l océan et entretient un fort taux de CO 2 atmosphérique. Enfin, les nombreuses forêts baissent l albédo et accélèrent le réchauffement. La température moyenne à la surface du globe au Crétacé était d environ 24 C.

18 18 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - Doc. 16 : Les prévisions pour les climats futures doivent tenir compte du refroidissement naturel amorcé depuis 20 M.a et l activité humaine libératrice de CO 2 atmosphérique à l origine d un réchauffement. D après SVT Term S Spé., Editions Bordas 2002, modifié Remérand Doc. 17 : Le niveau moyen des mers n a cessé de varié au cours des temps géologiques. Les transgressions et régressions sont appréciées par l analyse de roches sédimentaires et parfois par l étude de peintures rupestres. D après SVT Term S Spé., Editions Bordas 2002, modifié Remérand 2002.

19 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - 19 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. IV/ Les variations du niveau des mers : une conséquence des variations climatiques et de l activité interne du globe On considère que le volume d eau sous forme de glace, liquide et vapeur n a pas varié au cours des 200 derniers millions d années. Le niveau moyen des mers, accessible par l étude des roches sédimentaires et de leurs gisements fossilifères associés et parfois par l analyse des peintures rupestres, n a cessé de varier au cours des temps géologiques (Doc. 17). Les variations relatives du niveau des mers sont contrôlées par 3 facteurs principaux : - la dilatation thermique et la formation et disparition des calottes glaciaires directement liées aux variations de la température c est-à-dire liées aux changements climatiques, - le volume des bassins océaniques lié à la profondeur des océans, et donc à l activité interne. III-1 La dilatation thermique Sachant le coefficient de dilatation de l eau (α e = 2.6 x 10-4 C), le volume actuel de l ensemble des eaux océaniques (V (T 0 )1.4 x m 3 ) et la surface des océans (S océan = 3.5 x m²) on peut calculer la variation du niveau des mers δ pour une augmentation de température donnée (T 1 ). V(T) = V(T 0 ) [1 + (T 1 -T 0 )] D où δ = [(V(T 1 ) V(T 0 )]/ S océan Ce calcul ne tient pas compte de la topographie des bordures océan-continent. Cette variation du niveau des mers est de l ordre de 1 m par C (Doc. 18) : 10 à 20 cm par siècle. III-2 La formation et disparition des calottes glaciaires Lors des maxima glaciaires on observe corrélativement une baisse du niveau moyen des océans de l ordre de la centaine de mètres en voir ans et réciproquement lors des interglaciaires. Le volume actuel de la calotte glaciaire antarctique, uniquement, est de 2.4 x m 3, sa fonte entraînerait une élévation du niveau des mers de (Doc. 19): δ = 2.4 x / S océan = 69 m Ce calcul ne tient pas compte de la topographie des bordures océan-continent, ni du changement de volume négatif de la fusion de la glace (l eau gelée prend un volume plus grand que l eau liquide). Remarque : la banquise et les icebergs déplacent un volume d eau égal à leur propre volume selon le principe d Archimède. Leur fonte n entraîne donc aucune élévation du niveau des mers. III-3 Le volume des bassins océaniques Le volume des bassins océaniques est lié à la profondeur des océans elle-même liée à l activité des dorsales et à l âge de la croûte océanique (1 ère S). Plus une dorsale est active, plus le bombement de la dorsale par intumescence thermique est important. Ce bombement thermique soulève les eaux sus-jacentes et induit une remontée du niveau des mers pouvant aller jusqu à plusieurs centaines de mètres en une dizaine de milliers d années (Doc. 20). Plus la lithosphère océanique vieillie, plus elle s alourdit. En effet, la croûte en s éloignant de l axe de la dorsale se refroidit et donc se densifie, le manteau supérieur par enfoncement de l isotherme C et nourrissage au dépens de l asthénosphère s alourdit également. Moins bombée, plus lourde et supportant une colonne d eau et de sédiments de plus en plus important au fur et à mesure de l éloignement par

20 20 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - Doc. 18 : Connaissant le coefficient de dilatation de l eau, le volume actuel de l ensemble des eaux océaniques et la surface des océans on peut calculer la variation du niveau des mers d pour une augmentation de température donnée (T 1 ). soit pour une augmentation de 2 C, 2 m et pour une augmentation de 5 C, 5 m Doc. 19 : Lors des maxima glaciaires on observe corrélativement une baisse du niveau moyen des océans de l ordre de la centaine de mètres et réciproquement lors des interglaciaires. D après SVT Term S Spé., Editions Didier et Bordas 2002, modifié Remérand 2002.

21 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - 21 Doc. 20 : Plus une dorsale est active, plus le bombement de la dorsale par intumescence thermique est important. Ce bombement thermique soulève les eaux sus-jacentes et induit une remontée du niveau des mers. D après SVT Term S Spé., Editions Bordas 2002, modifié Remérand Doc. 21 : Plus la lithosphère océanique vieillie, plus elle s alourdit. En effet, la croûte en s éloignant de l axe de la dorsale se refroidit et donc se densifie, le manteau supérieur par enfoncement de l isotherme C et nourrissage au dépens de l asthénosphère s alourdit également. D après SVT 1 ere S., Editions Bordas 2001, modifié Remérand 2001.

22 22 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - rapport à l axe de la dorsale, la croûte océanique s enfonce de plus en plus dans l asthénosphère sur laquelle elle repose : l océan s approfondit, le niveau des mers diminue (Doc. 21). Ainsi, une augmentation du nombre de dorsales jeunes, à vitesse d expansion élevée (15 cm/an) diminue rapidement, à l échelle géologique, la profondeur moyenne des océans et conduit à des élévations du niveau des mers de l ordre de plusieurs centaines de mètres. La transgression du Crétacé s explique par un tel phénomène. Des facteurs géologiques internes comme la répartition du magma mantellique au sein du globe seraient responsables de creux au niveau de la mer de plus de 220 m. Conclusion Actuellement le taux de CO 2 est de 370 ppm (partie pour millions ou 0.037%) alors qu il n était que de 280 ppm au début du siècle dernier!! Et l augmentation du taux de CO 2 ne fait que commencer, elle devrait se poursuivre encore durant 1 siècle, en supposant que nous arrêtions toutes les émissions de CO 2 aujourd hui!! Une des conséquences de cette élévation de température est une augmentation du niveau des mers accompagnée de la disparition de nombreux archipels, du Bengladesh et du maintient de très nombreuses zones humides favorables au développement du paludisme. Le réchauffement actuel de l océan, qui n affecte que les couches superficielles comprises entre 0 et 1000 m, n est depuis un siècle que de quelques dixième de C. Mais déjà les mesures historiques du niveau moyen des mers montrent une élévation de l ordre de 10 à 20 cm par siècle. Une prise de conscience collective, amorcée avec les accords de Kyoto, toujours pas ratifiés par le plus gros pollueur du monde, les Etats-Unis d Amériques, est indispensable pour limiter les émissions de gaz à effet de serre, tout comme la recherche d énergie nouvelle et surtout le développement des énergies non polluante éolienne et solaire.

23 - Terminale S Spécialité SVT : Dossier 3 : Du passé géologique à l évolution future de la planète - 23 DOSSIER 3 Du passé géologique à l évolution future de la planète - Résumé j Les changements climatiques de la planète s étudient à différentes échelles de temps et d espace. Les variations climatiques sont enregistrées dans les roches sédimentaires et les accumulations de glaces. La nature chimiques des sédiments, leurs contenus fossilifères et leurs conditions de dépôts, ainsi que la composition isotopique des glaces, sont des marqueurs des conditions climatiques. k Pour les changements climatiques récents et locaux on fait appel aux analyses de carottes glaciaires avec analyses du rapport isotopique d 18 O de l air et du contenu des bulles emprisonnées dans la glace (témoins de la composition chimique moyenne de l atmosphère et de son contenu en gaz à effet de serre). En complément ou en absence de calotte glaciaire lors des interglaciaires, on fait appel à l analyse de carottes sédimentaires en milieu lacustre avec analyse de pollens et de gisements fossilifères. Pour les changements climatiques récents mais globaux, c est le rapport isotopique des carbonates via les carottes sédimentaires marines réalisées à travers le monde qui est utilisé. m Pour la reconstitution des paléoclimats plus reculés, à la résolution moins fine, seuls les dépôts sédimentaires et les gisements fossilifères peuvent être utilisés. Les variations climatiques de ces dernières années sont initiées par des facteurs astronomiques (modifications périodiques de paramètres orbitaux de la Terre qui changent la quantité d énergie solaire reçue à la surface du globe) et modulés, amplifiés par d autres facteurs comme l albédo et le taux de CO2 atmosphérique qui emballent les phénomènes de réchauffement ou de refroidissement (rétro-action positive). o Les variations climatiques à plus grande échelle temporelle sont le fruit des mêmes facteurs mais également le résultat d autres phénomènes consommateurs ou producteurs de CO2, gaz à effet de serre : la précipitation des carbonates libère du CO2 et leur dissolution en consomme, le piégeage de la matière organique dans les roches stocke du CO2, l altération des silicates calciques et magnésiens de reliefs orogéniques consomme du CO2, le dégazage du manteau par volcanisme libère du CO2 dans les océans et dans l atmosphère. p 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 doit prendre en compte les variations naturelles du climat c est-à-dire son refroidissement entamé depuis 20 millions d années et l impact de l activité humaine notamment ses émissions de gaz à effet de serre. Les scientifiques prévoient pour 2100 un réchauffement de 2 à 5 C. q Les variations du niveau des mers enregistrées dans les archives géologiques (transgressions et régressions) trouvent leur origine dans les changements climatiques mais également dans l activité interne du globe : phénomènes tectoniques et activité plus ou moins importante du manteau. r Les causes des variations du niveau des mers sont la dilatation thermique (de 10 à 20 cm/siècle), la formation ou destruction des calottes glaciaires (centaine de mètres en voir ans) et l activité des dorsales (jusqu à plusieurs centaines de mètres en une dizaines de millions d années).