L influence des astres sur le climat terrestre

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1 Introduction - Variations climatiques L influence des astres sur le climat terrestre Coup de tonnerre à l Académie des Sciences de Genève! Introduction - Variations climatiques Louis Agassiz, paléontologue suisse réputé, parle pour la première fois d âges glaciaires et crée une véritable révolution ; son hypothèse étant déclarée absurde par ses contemporains. Louis Agassiz ( ) Introduction - Variations climatiques Modèle actuel Blocs erratiques (en Ecosse et dans le Jura)

2 Introduction - Variations climatiques Introduction - Variations climatiques On sait aujourd hui que le climat global est fortement variable Depuis 100 ans, la Terre se réchauffe Introduction - Climat Introduction - Climat Variations géographiques Variations dans le temps locales

3 Introduction - Climat Introduction - Climat Variations spatio-temporelles Ecart des températures ( C)! 1 C d après Mann et al. (1998), pour l hémisphère Nord Variations dans le temps hémisphériques + froid + chaud variations des températures observées entre 1880 et 2005 (source: NASA) => Variations non uniformes Accordons-nous Qu entend-on par Climat?! «Ensemble des phénomènes météorologiques (température, pression, vents, précipitations) qui caractérisent! l état moyen de l atmosphère! et son évolution en un lieu donné»! Accordons-nous Climatologie! La suite de l exposé concerne les phénomènes climatologiques càd des tendances à moyen ou long terme (décennies, siècles, millénaires) observées à l échelle d une région, d un continent ou de la Terre entière. C est la climatologie qui peut nous aider à travailler sur l évolution possible du climat futur. Or la climatologie révèle des tendances significatives sur lesquelles nous allons nous appuyer

4 Cycles climatiques L apport des carottes marines Cycles climatiques interglaciaires glaciaires De nombreux cycles glaciaire/interglaciaire s observent Enregistrement sédimentaire continu (et non discontinu comme pour les séquences continentales) Transition glaciaire / interglaciaire, visible dans la couleur des sédiments sur ans Foraminifères planctoniques fossiles prélevés dans une carotte marine Cycles climatiques De nombreux cycles glaciaire/interglaciaire s observent Cycles climatiques sur ans L analyse spectrale des données marines montre que les plus grandes amplitudes du signal paléo-climatique correspondent aux fréquences des principales composantes de l insolation

5 En 1875, James Croll émet 3 hypothèses : 1. Variations climatiques liées aux 3 paramètres astronomiques suivants : - 1. Excentricité (T ans) - 2. Obliquité (T ans) - 3. Précession (T ans) James Croll ( ) 2. Existence d une «rétroaction positive» due au faible albédo favorisant la formation de grands inlandsis en période glaciaire. 3. Une faible obliquité favorise l apparition des inlandsis aux latitudes polaires. - NB. Une forte obliquité favoriserait la fonte des glaciers. Théorie oubliée, car non validée par les observations qui ne montraient pas d opposition simultanée entre HN et HS Les 3 paramètres astronomiques de la théorie de Croll Variations de l insolation = quantité de chaleur arrivant au sol (en Watt/m 2 ) Variations de l insolation et contraste saisonnier

6 précession (~20 ka) Milutin Milankovitch reprend l hypothèse des 3 paramètres astronomiques de Croll : => il calcule l insolation à 65 N durant les derniers ans. => il propose la continentalité des inlandsis : Milutin Milankovitch ( ) Les latitudes polaires Nord sont plus sensibles aux changements d énergie reçue par la Terre que les latitudes Sud, car plus continentales. > évite le problème de la non opposition HN/HS. > suggère que les étés frais en HN favorisent l entré en glaciation. => en 1941 il formule une théorie selon laquelle les fluctuations climatiques à long terme sont liées aux variations des paramètres orbitaux. Milutin Milankovitch ( ) Les méthodes modernes de datations des cycles glaciaires des derniers millions d années confirment la théorie astronomique des climats de Milankovitch. Les paramètres astronomiques déterminent l incidence des rayons solaires Crétacé (120 Ma, ère Secondaire) et l insolation (quantité de chaleur arrivant au sol) se calcule : On retrouve les fréquences des paramètres astronomiques dans des enregistrements sédimentaires datant de plusieurs millions d années

7 ère Primaire d Amérique du Nord précession (~20 ka) On retrouve les fréquences des paramètres astronomiques dans des enregistrements sédimentaires datant de plusieurs millions d années La cause de ces perturbations : la Lune Soleil et espacements non à l échelle! Effet gravitationnel de la Lune Stabilisation de l orbite de la Terre : ensemble Terre Lune et les planètes géantes La cause de ces perturbations : la Lune - ralentissement de la vitesse de rotation de la Terre - stabilisation de la valeur de l obliquité de l écliptique

8 Limites du forçage astronomique lié aux 3 paramètres de Croll - Milankovitch 1. CO 2 : le forçage astronomique ne peut entraîner des cycles de gaciations que si la teneur en CO 2 est faible < 230 ppmv (380 actuellement) 2. Chaos : mise en évidence de mouvements chaotiques possibles dans le système solaire (Laskar, 1999) => extrapolation difficile à l échelle géologique (40 à 200 Ma), bien que les mesures envoyées par les sondes spatiales aident à affiner les paramètres. 3. Autres facteurs : forçages externes et internes. cf. suite Quelques unes des sondes envoyées dans le système solaire Cycles climatiques facteurs autres Les carottes de glaces polaires révèlent que le climat est beaucoup plus variable qu on ne l imaginait : Cycles climatiques facteurs autres Des courants océaniques transportent la chaleur autour du globe comme un immense tapis roulant. températures polaires actuelles climat polaire le forçage externe n explique que 60% des variations du climat global La circulation thermohaline, une des interactions hydrosphère-atmosphère-cryosphère

9 Rayonnement - irradiance La constante solaire (l énergie rayonnée) Rayonnement - irradiance Irradiance (énergie rayonnée) et nombre de tâches solaires sont liés : n est pas constante! Le Soleil a une variabilité intrinsèque Rayonnement - irradiance Relation température au sol et activité solaire : Rayonnement - irradiance Relation température au sol et activité solaire : Températures moyennes de l hémisphère Nord (T) vs Durée des cycles solaires (L) Irradiance moyenne vs Températures moyennes de l hémisphère Nord depuis 1610

10 Rayonnement - irradiance Rayonnement - irradiance 14 C, 10 Be et 36 Cl en Spectrométrie de Masse par Accélérateur Au delà du 17 e siècle, la seule possibilité de reconstituer l activité solaire est de mesurer l abondance des cosmonucléides dans des archives «géologiques» variées Rayonnement - irradiance Rayonnement - irradiance minima : forte production de 10 Be (Soleil calme) Wolf Spörer Maunder Dalton Optimum climatique médiéval Petit âge glaciaire 10 Be dans une carotte de glace du Pôle Sud (PS1) converti en unité 14 C Variations de l activité solaire depuis l an 800 On peut aujourd hui la retracer jusque vers ans

11 Rayonnement - irradiance Conclusion Les découvertes récentes montrent que l influence des variations de l activité solaire avaient jusque là été sous-estimées pour la compréhension du climat global. Elles sont donc reconsidérées, mais s avèrent être devenues un fort sujet de polémique Outre les mécanismes propres qui influent sur le climat terrestre (forçage interne), les astres ont en fait une influence déterminante (forçage externe) en jouant sur la géométrie de l orbite terrestre : Jupiter Saturne la Lune Le Soleil a, bien sûr, un rôle prépondérant par ses variations intrinsèques (irradiance) et l incidence de ses rayons (insolation). L intensité du rayonnement solaire a également une grande importance sur les longues échelles de temps, sans oublier l importance de la teneur en gaz à effet de serre. Paradoxe du jeune soleil faible Paradoxe du jeune soleil faible le paradoxe du jeune Soleil faible Importance de l effet de serre Bien que le jeune Soleil ait été 30% moins puissant qu aujourd hui, la température sur la Terre semble avoir été relativement stable! Température 25 C 0 C -25 C -50 C Températures réelles de la Terre Température de gel de H 2 O Température attendue sur une Terre avec l atmosphère actuelle Variation de la luminosité solaire Température attendue sur une Terre sans atmosphère Luminosité solaire 4,5 4 3, ,4 1 0 Apparition de la Vie Premiers eucaryotes Actuel Temps en milliards d années 100% de la valeur actuelle Cela suggère une teneur en gaz à effet de serre supérieure à celle d aujourd hui ; => plus de CO 2 et/ou plus de CH 4. 90% 80% 70%

12 La Terre boule de neige Position équatoriale La «Terre boule de neige» des continents La Terre boule de neige La «Terre boule de neige» -650 Ma! (8 novembre)! La Terre boule de neige La «Terre boule de neige» La Terre boule de neige La «Terre boule de neige» La Terre aurait était entièrement gelée à plusieurs reprises : entre 730 et 590 Ma (2 13 novembre), de 2,3 à 2,2 Ga (29 juin 7 juillet), et peut-être vers 2,9 Ga (12 mai). Température 25 C 0 C -25 C Températures réelles de la Terre Température de gel de H 2 O 0,83 Diminution des gaz à effet de serre Glaciations du Paléoprotérozoïque 0,94 Luminosité solaire 100% de la valeur actuelle 90% Variation de la luminosité solaire Glaciations du Néoprotérozoïque 80% -50 C 70% 4,5 4 3, ,4 1 0 Apparition de la Vie Premiers eucaryotes Actuel Temps en milliards d années