Thème 1: DU PASSE GEOLOGIQUE A L EVOLUTION FUTURE DE LA PLANETE 1.1 Les climats passés de la planète. Les changements du climat des 700 000 dernières années La glace des calottes polaires, mémoire du climat et de la composition de l atmosphère du quaternaire récent. Les calotes polaires de l Antarctique et du Groenland sont constituées par l accumulation et le tassement progressif de la neige au fil des années. On peut identifier et dater les diférentes couches d une carote obtenue par forage. 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. En effet, le calcul du δ 18 Odans les diverses couches de glace permet de déduire la température de l air qui régnait lors des précipitations à l origine de chaque couche. Ces variations de température sont corrélées à des variations de concentration, des gaz à efet de sere dans l atmosphère, contenus dans des microbules de la glace des calottes polaires. Les variations climatiques enregistrées pour les 400000 dernières années dans les glaces montrent des alternances de périodes glaciaires et interglaciaires. Un cycle de 100000 ans rythme les glaciations. L océan, mémoire du climat mondial des derniers 700000 ans. Les variations globales du volume des calottes glaciaires et des glaciers, représentatives des changements climatiques à l échele de la planète, sont déduites de la composition isotopique de l oxygène ( 18 O/ 16 O) des tests carbonatés dans les sédiments océaniques. En effet, Les tests des foraminifères de grande profondeur (foraminifères benthiques) des sédiments océaniques peuvent être utilisés pour connaître la variation du niveau des océans et du volume des glaces et donc les changements climatiques globaux qui ont affecté la Terre dans le passé. En profondeur, puisque la température de l eau est constante, la quantité de 18 O incorporée dans les tests de Foraminifères ne dépend que du rapport ( 18 O/ 16 O) de l eau de mer. Si température ==> volume des calottes glaciaires ==> niveau marin ==> l eau stockée sous forme de glace est pauvre en 18 O et donc l eau de mer est enrichie en 18 O ==> δ 18 O de l eau de mer > valeur actuelle ==> δ 18 O des test carbonatés des foraminifères benthiques est élevé. Donc si la température le δ 18 O des test carbonatés des foraminifères benthiques. La variation du volume des glaces n est pas due à des variations locales du climat, mais à des variations du climat mondial. Ainsi, l océan, grâce à ses Foraminifères benthiques, est le témoin des variations du climat mondial. Les variations de température observées pour les 400 000 dernières années dans les glaces sont parfaitement corrélées à celles déduites des mesures du δ 18 O des test carbonatés des foraminifères benthiques pour la même période de temps dans les sédiments océaniques.
La mise en évidence de cette corrélation entre enregistrements par les glaces et par les sédiments permet, par la caractérisation de sédiments vieux de plus de 400 000 ans, d'étendre à plus de 700 000 ans l'étude des changements climatiques majeurs de la planète. Les sédiments continentaux des lacs et tourbières, témoins de la variabilité climatique. La palynologie est fondée sur l étude des pollens. Ces grains de pollen sont des «outils» intéressant pour l étude des variations climatiques: leur enveloppe externe, l exine, leur permet de se conserver durant des miliers d années s ils sont dans un milieu non oxydant; l architecture très diversifiée de leur paroi permet une identification précise du végétal qui a produit ce pollen. La détermination des pollens présents dans une carotte sédimentaire (type de végétation et abondance) permet d établir un diagramme pollinique, caractérisant un peuplement végétal a un moment donné dans un lieu donné. Les espèces végétales ont des exigences ou préférences climatiques (température moyenne annuele, pluviométrie moyenne annuele). L utilisation du principe de l actualisme(les espèces végétales passées avaient les mêmes exigences climatiques que les espèces identiques actuelles) permet de reconstituer les paléoclimats. Les résultats montrent une alternance de périodes froides assez longues (glaciaires) entrecoupées de périodes plus chaudes plus courtes (interglaciaire, ou post-glaciaire pour la période actuelle). Les résultats obtenus en différents lieux montrent l étendue planétaire des variations climatiques, en accord avec ceux obtenus des archives glaciaires Bilan :: Les variations climatiques sont enregistrées dans les roches sédimentaires et les accumulations de glace aux pôles. Il existe plusieurs marqueurs des conditions climatiques : la composition isotopique de l oxygène des glaces; la teneur en gaz à effet de serre des bulles de gaz emprisonnées dans les glaces polaires ; la composition isotopique de l oxygène des tests carbonatés des sédiments océaniques ; la nature chimique des sédiments et leurs conditions de dépôt ; leurs contenus fossilifères. Ces différents indicateurs de changements climatiques livrent des données d une grande concordance : les variations climatiques enregistrées sont synchrones. Les variations climatiques des 700000 dernières années montrent des alternances de périodes glaciaires et interglaciaires. Un rythme de 100000 ans rythme les glaciations. Des cycles de réchauffement refroidissement sont observés entre deux maximums glaciaires.
Les causes possibles des variations climatiques des 700000 dernières années. Acquis de seconde = l énergie solaire reçue par les planètes varie en fonction de leur distance au Soleil. La répartition des climats en latitude et l alternance des saisons sont des conséquences de la sphéricité de la Terre ( répartition des climats selon la latitude car inégale répartition de l énergie solaire reçue à la surface du globe) et de sa rotation autour d un axe incliné par rapport au plan de révolution autour du Soleil ( alternance des saisons au cours de l année). Les évolutions du climat mises en évidence par l'étude des archives géologiques sont interprétables par des modèles. Les périodicités observées dans les changements de températures de l'atmosphère et l'extension des calottes de glace peuvent être mises en relation avec les variations régulières des paramètres orbitaux de la Terre : obliquité de l axe de rotation de la Terre, excentricité de l'orbite de la Terre, précession des équinoxes. Ces paramètres déterminent la répartition et les variations au cours du temps de l énergie solaire reçue aux diférentes latitudes Les variations au cours du temps de ces paramètres astronomiques modifient : >> la distance Terre - Soleil et donc la quantité globale d'énergie reçue par la Terre du Soleil ; >> l'angle d'inclinaison de la Terre par rapport au plan de l'écliptique et donc la quantité d'énergie reçue aux différentes latitudes (et donc le contraste des saisons). Dans la théorie astronomique des changements climatiques, due à Milutin Milankovitch, les variations périodiques dans la quantité d'énergie solaire reçue par la Terre sont suffisantes pour induire l'alternance de climats glaciaires et interglaciaires. Le rythme de 100 000 ans est observé pour les glaciations. Les périodes de changement climatique aux périodes de 43 000 ans, 24 000 ans et 19 000 ans sont aussi observées dans les archives glaciaires et sédimentaires des 700 000 dernières années. Cependant, les seules variations de l'ensoleillement n'expliquent pas l'amplitude observée des variations de températures. D'autres phénomènes interdépendants modulent l'effet astronomique. >> les variations de la teneur en CO 2 atmosphérique : Le CO2 présent dans l'atmosphère participe à l effet de serre de la planète. L'eau de mer est capable de dissoudre du gaz carbonique de l'atmosphère. La concentration de CO2 dans l atmosphère est en équilibre avec cele de l océan. L'absorption de CO2 de l'atmosphère par l'eau de mer dépend de la température de cette dernière. Lorsque la température de l'eau de mer augmente, la solubilité du CO2 dans l océan diminue. Si l'on passe d'un climat glaciaire à un climat interglaciaire, la température moyenne de l'eau de mer augmente, l équilibre précédent est déplacé et du CO2 dissous dans l'eau de mer va passer dans l'atmosphère, ce qui induit une augmentation de l effet de serre. Les modifications de la teneur en CO 2 atmosphérique amplifient l efet astronomique: >> présence de CO2 atmosphérique effet de serre >> effet astronomique insolation reçue par la Terre réchauffement >> réchauffement de la solubilité du CO2 dans l hydrosphère diffusion du CO2 de l hydrosphère vers l atmosphère >> cela [CO2] atmosphérique de l efet de sere, ce qui amplifie le réchaufement induit par l efet astronomique.
>> les variations de l'albédo de la planète : L albédo est l un des facteurs qui contrôle la température de surface de la Tere. L'albédo est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par la surface de la Tere sur l énergie solaire incidente. Il est fonction entre autres du couvert végétal et de l'extension des calottes polaires qui eux-mêmes dépendent de la température. Actuelement 30 % de l énergie solaire arrivant sur toute la surface de la Terre est réfléchie vers l'espace. On a donc un albédo de 0,3. Il reflète la proportion actuelle de nuage, de terrain de nature différente à la surface de la Terre (végétation, glace, océan). Lors d'un refroidissement du climat induit par une diminution de l'ensoleillement, la neige et la glace couvrent une plus grande partie de la surface de la Terre. La neige et la glace ayant un albédo bien supérieur à celui de la végétation ou de l'eau, l'albédo moyen de la Terre augmente. La quantité d'énergie solaire absorbée par la Terre va donc diminuer renforçant ainsi le refroidissement initial. On est en présence d'un mécanisme amplificateur ou encore d'une rétroaction positive. Les variations de l albédo de la planète amplifient l efet astronomique: >> effet astronomique de l insolation reçue par la Tere insolation d été et relative de l insolation d hiver développement des calottes glaciaires >> de l albédo de la planète refroidissement de la planète, ce qui amplifie le refroidissement de la planète induit par l efet astronomique. D'autres mécanismes de régulation ou d'amplification de l'effet astronomique existent (variation de la nébulosité, changement dans le cycle de l'eau, efet de la biosphère ) et rendent difficiles la compréhension complète des enchaînements qui pilotent les changements climatiques.
Les changements climatiques aux plus grandes échelles de temps. Le Carbonifère-Permien, une période globalement froide. La glaciation du Carbonifère et du Permien (glaciation Permo-carbonifère) affectant la partie Sud du Gondwana a duré au moins 60 milions d années. Au Carbonifère et au Permien (- 350 à -250 MA) on observe que RCO 2, rapport entre la teneur passée en CO 2 de l atmosphère et la teneur actuele, est faible: le taux de CO 2 atmosphérique était donc faible à cette époque. Le climat froid du Permo carbonifère est du à une diminution de l efet de sere, causée par la diminution du taux de CO 2 atmosphérique. Au carbonifère, la croissance importante de la végétation pompe du CO 2 de l'atmosphère, et la formation massive de dépôts de charbon piège ce CO 2 qui ne retourne pas à l'atmosphère. Les conditions tectoniques liées à l orogenèse hercynienne ont favorisé l enfouissement de la matière organique et crée des conditions favorables à sa transformation en charbon. A cela s ajoute une altération importante des roches continentales à cause de la présence de la chaîne de montagne hercynienne qui a pour effet de retirer du CO 2 de l atmosphère. La végétation luxuriante du Carbonifère a augmenté l altération des roches de la chaîne hercynienne : augmentation du «prélèvement» de CO 2 atmosphérique. N.B : il faut rappeler aussi que la tectonique des plaques a «rassemblé» au Permocarbonifère une masse continentale dans l hémisphère Sud ( développement de la calotte glaciaire) et a permis l orogenèse hercynienne. Au permo-carbonifère, altération continentale et fossilisation de la matière organique se sont conjugués et ont provoqué une diminution du taux de CO 2 atmosphérique : l'effet de serre à cette époque diminue et induit un climat plus froid avec des précipitations neigeuses aux hautes latitudes qui ne fondent pas et permettent l'installation d'une calotte glaciaire. La période chaude du Crétacé. Les études paléoclimatiques (étude des fossiles et des roches sédimentaires) permettent de retrouver les climats anciens et de préciser les principales zones climatiques à une époque donnée. Les données de la tectonique des plaques permettent de reconstituer la position des continents. Au Crétacé, les terres sont réparties sur toutes les latitudes. Au Crétacé la Terre est entièrement dépourvue de glace. Il y a un faible gradient thermique latitudinal La température moyenne à la surface du globe est supérieure d environ 10 C à l actuele. Le climat très chaud du Crétacé traduit un effet de serre important, lié à une augmentation du taux de CO 2 dans l atmosphère. Cette augmentation du taux de CO2 atmosphérique au Crétacé est liée : >> à une activité volcanique accrue, atestée par le fort taux d expansion des dorsales océaniques, les grands épanchements basaltiques sous-marins, les trapps du Deccan; ce volcanisme transfert du CO2 du manteau vers l atmosphère, ou du manteau vers l hydrosphère puis vers l atmosphère; >> à une baisse de l albédo due à la transgression marine. Remarque : * l altération hydrothermale de la croûte océanique par l eau de mer, limitée à quelques kilomètres de part et d autre des dorsales, est également à l origine d une libération de CO2; * le piégeage de C organique (plus intense au Crétacé qu actuelement) a pu limiter l augmentation du taux de CO2 atmosphérique au Crétacé.
BILAN : La reconstitution des climats du passé requiert l utilisation d indicateurs paléoclimatiques que sont les données sédimentologiques, paléontologiques et morphologiques. L accumulation de ces données, et leur répartition latitudinale, permettent de reconstituer le climat global de la Terre à différentes époques. Certaines roches sédimentaires et certains fossiles sont des indicateurs des paléotempératures. 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), >> la répartition des masses continentales qui favorise l instalation des calottes glaciaires. Divers processus géologiques modifient le taux de CO 2 atmosphérique : >> l altération des silicates des roches magmatiques ou métamorphiques (réaction 2), qui libère du Ca 2+, HCO 3 -,, consomme «irréversiblement» du CO 2 : les ions libérés par cette altération aboutissent à l océan, provoquant la précipitation de CaCO 3 (réaction 3). Globalement, les réactions 2 et 3 s écrivent: CaSiO 3 + 2 CO 2 + H 2 O SiO 2 + Ca 2+ + 2 HCO 3 - SiO 2 + CaCO 3 + 1 CO 2 + H 2 O On voit ainsi qu une mole de CO2 est séquestrée sous forme de calcaire dans l océan pour plusieurs centaines de milions d années. L altération des roches silicatées est donc un moyen eficace de modifier les teneurs en CO 2 atmosphérique et ainsi de faire varier le climat. >> les réactions de précipitation dissolution des carbonates se compensent s il n y a pas d apport ou de départ de Ca 2+ : ces réactions ne modifient pas de manière majeure la teneur en CO 2 de l atmosphère sur des écheles de temps de plusieurs milions d années. Rappel : réaction d altération des carbonates à la surface des continents (dissolution des carbonates) : CaCO3 + CO2 + H2O Ca 2+ + 2 HCO 3 - (réaction 1) Rappel : réaction de précipitation des carbonates : Ca 2+ + 2 HCO 3 - CaCO3 + CO2 + H2O (réaction 3) >> le piégeage de la matière organique dans les roches : cette matière organique échappe à la minéralisation qui libère du CO 2, elle aboutit donc à un stockage à long terme du carbone dans le réservoir carboné. >> le dégazage du manteau par le volcanisme libère du CO 2 dans l océan et dans l atmosphère. Quelques ordres de grandeur: la masse actuelle de CO2 dans l'atmosphère est de 2,82 10 15 kg 1 kg de CaCO3 contient 440 g de CO2. Les calcaires déposés à l'urgonien dans les Alpes forment une couche d'épaisseur 200 m occupant une surface de 300 km x 50 km. La masse de CO2 contenue dans ces calcaires est de 3,3 10 15 kg. L'ensemble des calcaires sur Terre représente une quantité équivalente de CO2 de 4.1020 kg. La formation des carbonates et des roches carbonéesdepuis le début de l histoire de la Tere a fait chuter la quantité de CO2 de l atmosphère et donc diminuer de façon importante l effet de serre.
Envisager les climats du futur : L identification des paramètres qui contrôlent le climat de la Tere est essentielle pour construire des modèles climatiques : >> il faut connaître la variabilité naturelle du climat et les facteurs contrôlant le climat (= astronomiques, tectoniques, biologiques ; le climat résulte d un équilibre dans l action des diférents paramètres régulateurs; >> il faut prendre en compte la dimension temporelle : les facteurs régulateurs du climat n agissent pas tous dans le même laps de temps: nous sommes dans une période froide commencée il y a 20 milions d années, mais dans un interglaciaire qui a commencé il y a 12000 ans. Pendant ces 12000 ans il y a eu des changements climatiques brutaux ; >> il faut prendre en compte les activités humaines, qui perturbent l équilibre en augmentant le taux de CO2 atmosphérique. Les scénarios d évolution de la température moyenne de la Tere, qui outre la variabilité naturele du climat, prennent en compte l impact de l activité humaine, prévoient un réchaufement de l ordre de 2 à 5 C au cours du XXI ième siècle. Ce réchaufement à l échele du siècle se superpose à un refroidissement constant de plus grande ampleur commencé il y a 20 milions d années.