Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l'avenir Thème 2 - Enjeux planétaires contemporains Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l'avenir Les enveloppes fluides de la Terre (atmosphère et hydrosphère) sont le siège d'une dynamique liée notamment à l'énergie reçue du Soleil. Elles sont en interaction permanente avec la biosphère et la géosphère. Le climat, à l'échelle globale ou locale, est à la fois le résultat de ces interactions et la condition de leur déroulement. La compréhension, au moins partielle, de cette complexité permet d'envisager une gestion raisonnée de l'influence de l'homme. Sans chercher l'exhaustivité, l'objectif de ce thème est d'aborder quelques aspects de la relation entre histoire des enveloppes fluides de la Terre et histoire du climat. - L'atmosphère initiale de la Terre était différente de l'atmosphère actuelle. Sa transformation est la conséquence, notamment, du développement de la vie. L'histoire de cette transformation se trouve inscrite dans les roches, en particulier celles qui sont sédimentaires. [Il s'agit de traiter le passage de l'atmosphère primitive à l'atmosphère oxydante en s'appuyant sur un nombre limité d'arguments pétrographiques.] - Les bulles d'air contenues dans les glaces permettent d'étudier la composition de l'air durant les 800 000 dernières années y compris des polluants d'origine humaine. La composition isotopique des glaces et d'autres indices (par exemple la palynologie) permettent de retracer les évolutions climatiques de cette période. [Les élèves doivent connaître les apports essentiels de la glaciologie. Aucun autre argument n'est exigible, mais les élèves devront pouvoir étudier des documents permettant de les mettre en évidence.] [Les autres aspects de l'énergétique de la fibre musculaire sont exclus.] - L'effet de serre, déterminé notamment par la composition atmosphérique, est un facteur influençant le climat global. La modélisation de la relation effet de serre/climat est complexe. Elle permet de proposer des hypothèses d'évolutions possibles du climat de la planète notamment en fonction des émissions de gaz à effet de serre induites par l'activité humaine. [L'ensemble des mécanismes agissant sur le climat n'est pas au programme, mais on indiquera que l'effet de serre n'est qu'un facteur parmi d'autres. En particulier, l'influence des paramètres astronomiques pourra être évoquée, mais n'est pas exigible des élèves au baccalauréat.] - Sur les grandes durées (par exemple pendant le dernier milliard d'années), les traces de variations climatiques importantes sont enregistrées dans les roches sédimentaires. Des conditions climatiques très éloignées de celles de l'époque actuelle ont existé. [On étudie seulement un exemple permettant de reconstituer les conditions climatiques et leur explication en termes de géodynamique. L'histoire de la variation du climat en elle-même est hors programme ainsi que l'étude exhaustive des relations entre géodynamique et climat.]
I Evolutions récentes du climat et de l atmosphère 1) Les archives du climat - Les bulles d'air contenues dans les glaces permettent d'étudier la composition de l'air durant les 800 000 dernières années y compris des polluants d'origine humaine. La composition isotopique des glaces et d'autres indices (par exemple la palynologie) permettent de retracer les évolutions climatiques de cette période. [Les élèves doivent connaître les apports essentiels de la glaciologie. Aucun autre argument n'est exigible, mais les élèves devront pouvoir étudier des documents permettant de les mettre en évidence.] a) Les glaces La glace résulte de l'accumulation puis du tassement de la neige. En réalisant des carottages dans les glaciers, surtout en Antarctique, on accède ainsi à de la glace formée il y a plusieurs centaines de milliers d'année. Or, lorsqu'elle se forme, la glace piège des bulles d'air dont la composition est exactement celle de l'atmosphère. En faisant fondre la glace, les bulles d'air sont libérées et ont peu ainsi connaître la composition de l'atmosphère (taux de CO 2, d'o 2 etc ) telle qu'elle était au moment de sa formation. Les forages les plus profonds permettent de remonter jusqu'à 700 000 ans, avec une précision d'environ 1000 ans pour les couches les plus profondes. L'analyse de la composition des bulles d'air piégées dans la glace permet de connaître la composition passée de l'atmosphère. Par ailleurs, la composition de la neige elle même nous apporte des indications sur la température. On trouve en effet 2 isotopes différents de l'oxygène dans les molécules d'eau : 18O et 16O. Or on constate que plus la température atmosphérique est élevée, plus on retrouve de 18 O dans la vapeur d'eau, et donc plus tard dans l'eau des précipitations, dans la neige, puis dans la glace. Le rapport 18 O/ 16 O de la glace permet de déduire la température de l'atmosphère au moment de sa formation. Remarque : on utilise souvent une valeur plus commode, le δ 18 O qui s'utilise de la même manière que le rapport 18 O/ 16 O.
b) D autres indices Les sédiments océaniques piègent également les isotopes de l'oxygène. On constate par contre que ce rapport présente une évolution opposée à celle mesurée dans la glace. Sur les continents, les variations climatiques sont enregistrées par les sédiments des lacs et des tourbières dans lesquels on retrouve des grains de pollens. Ces derniers nous informent directement sur la composition passée de la flore. Chaque espèce ayant des exigences écologiques différentes, il est possible de déduire de ce diagramme l'évolution locale du climat.
2) Origines des variations climatiques récentes - L'effet de serre, déterminé notamment par la composition atmosphérique, est un facteur influençant le climat global. La modélisation de la relation effet de serre/climat est complexe. Elle permet de proposer des hypothèses d'évolutions possibles du climat de la planète notamment en fonction des émissions de gaz à effet de serre induites par l'activité humaine. [L'ensemble des mécanismes agissant sur le climat n'est pas au programme, mais on indiquera que l'effet de serre n'est qu'un facteur parmi d'autres. En particulier, l'influence des paramètres astronomiques pourra être évoquée, mais n'est pas exigible des élèves au baccalauréat.] Les variations climatiques du dernier million d année sont marquées par l alternance de périodes très froides (périodes glaciaires) et de périodes de réchauffement. On retrouve la périodicité de ces alternances dans des variations de l orbite de la Terre. Ces variations qui influent en effet sur la quantité d énergie reçue par la Terre ne peuvent qu en partie expliquer les importantes variations de températures constatées. D autres facteurs interviennent et amplifient les effets de ces fluctuations orbitales. 1 er exemple : influence de l albedo (livre p.72) Lorsque le climat se refroidit, la surface du globe couverte par les glaces augmente. Or, la glace réfléchit davantage la lumière incidente que l océan. On appelle albedo le pourcentage de lumière renvoyé. L albédo de la glace est d environ 90%, celui de l océan environ 30%. Donc plus la glace s étend, plus l albedo augmente, et la quantité d énergie solaire absorbée par la Terre diminue. Ce cercle vicieux amplifie la variation climatique initiée par les variations orbitales. 2 ème exemple : influence des gaz à effet de serre (document) Si on compare les variations récentes de la composition de l atmosphère (déterminée à partir des bulles d air piégées dans la glace) avec les variations de la température (déterminées à partir des rapports isotopiques) on constate que ces dernières sont fortement corrélées aux taux de CO 2 et de CH 4. Il existe donc un lien entre les variations récentes du taux de CO 2 et de CH 4 atmosphérique et le climat. (document 2 p.71) Or ces 2 gaz sont transparents pour les longueurs d ondes visibles mais opaques pour les infrarouges (rayonnement émis par tout corps chauffé). Cela signifie qu ils laissent passer la lumière incidente du soleil mais absorbent et réémettent en partie vers le sol les infrarouges (et donc la chaleur) émis par la Terre : on parle de gaz à effet de serre. (schéma)
(modèle numérique effet de serre) Bien que leur concentration soit infime, ces 2 gaz, ainsi que la vapeur d eau, contribuent considérablement à réchauffer l atmosphère. En l absence d effet de serre, la température de l atmosphère serait en moyenne de -18 C! Depuis la révolution industrielle du XIXème siècle, la concentration atmosphérique de ces 2 gaz a augmenté très nettement. Cette augmentation est liée aux émissions d origine anthropique (origine humaine) consécutives à l utilisation des combustibles fossiles et aux pratiques agricoles. (modélisation informatique, simclimat) Il est difficile de prévoir quelle sera exactement l évolution du climat suite à cette augmentation. En effet, de très nombreux facteurs interviennent et interagissent. Par exemple, le réchauffement de l océan va entraîner une libération du CO 2 dissous dans l atmosphère, accentuant l effet de serre (rétroaction positive=cercle vicieux). Le carbone circule en effet dans les 4 enveloppes externes de la Terre (atmosphère, hydrosphère, biosphère et lithosphère) selon un cycle très complexe (cycle du carbone). Pour prévoir l évolution future du climat il faudrait pouvoir mettre en équation toutes ces interactions, c est ce qu on appelle un modèle numérique (ex : simclimat). Ces modèles ont hélas pour l instant une marge d incertitude importante, mais il est probable qu en l absence de mesures drastiques pour réduire les émissions de CO 2 (voir protocole de Kyoto) le climat global de la Terre se réchauffe durablement.
II Atmosphère et climat aux grandes échelles de temps 1) De l atmosphère primitive à l atmosphère actuelle - L'atmosphère initiale de la Terre était différente de l'atmosphère actuelle. Sa transformation est la conséquence, notamment, du développement de la vie. L'histoire de cette transformation se trouve inscrite dans les roches, en particulier celles qui sont sédimentaires. [Il s'agit de traiter le passage de l'atmosphère primitive à l'atmosphère oxydante en s'appuyant sur un nombre limité d'arguments pétrographiques.] Exploitation des documents p.84, 85 L atmosphère primitive de la Terre s est formée peu de temps après son accrétion (sa formation par agglomération de corps plus petits). Elle provient du dégazage des roches (alors en fusion) du manteau. Sa composition peut être déduite : - des gaz émis par les volcans actuels (ces gaz proviennent eux aussi du dégazage d un magma d origine mantellique) - des gaz contenus dans les météorites (la composition de ces dernières n ayant pas évolué depuis la formation du système solaire) Contrairement à l atmosphère actuelle, qui contient essentiellement du N2 (78%) et de l O 2 (21%), l atmosphère primitive devait contenir surtout de la vapeur d eau et du CO 2. Lorsqu elle s est suffisamment refroidie, la vapeur d eau a pu se condenser, remplissant les océans. Une fois l essentiel de la vapeur d eau éliminée, l atmosphère contenait essentiellement du CO 2.
Entre -3 et -2 Ga se sont formés des roches sédimentaires riches en oxydes de fer. Or, ces oxydes ne peuvent se former que dans une atmosphère oxydante, c'est-à-dire riche en O 2. Au cours de cette période, l atmosphère initialement réductrice est devenue oxydante. Ce changement résulte de l activité des premiers êtres vivants photosynthétiques, probablement des bactéries vivant en colonies. Ces colonies bactériennes sont à l origine de formations sédimentaires caractéristiques : les stromatolites. Un autre phénomène a contribué à diminuer le taux de CO 2 atmosphérique. Le CO 2 est un gaz très soluble dans l eau. L eau de pluie, chargée en CO 2 altère les roches en dissolvant certains minéraux, notamment ceux contenant du calcium. Cette réaction consomme le CO 2. Exemple : dissolution du calcaire CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca 2+ + 2 HCO 3 - L atmosphère initiale était très riche en CO 2. L activité des premiers êtres vivants photosynthétiques et l altération des minéraux calciques ont considérablement diminué le taux de ce gaz dans l atmosphère, tandis que le taux de O 2 augmentait.
2) Evolution ultérieure du taux de CO 2 et du climat - Sur les grandes durées (par exemple pendant le dernier milliard d'années), les traces de variations climatiques importantes sont enregistrées dans les roches sédimentaires. Des conditions climatiques très éloignées de celles de l'époque actuelle ont existé. Le taux de CO 2 atmosphérique a par la suite connu d autres fluctuations importantes. Ces fluctuations résultent entre autre de la formation des gisements de combustibles fossiles (qui «fixent» le carbone dans la lithosphère) notamment au Carbonifère (-300 Ma). L érosion des chaînes des montagnes consomme aussi du CO 2, et à l inverse la précipitation et la sédimentation du calcaire en libère. Ces variations du taux de CO 2 ont entraîné d importantes variations de la température moyenne du globe. Ces changements climatiques sont inscrits dans les roches sédimentaires (ex : bauxite = climat tropical, tillites = climat glaciaire) et dans les archives fossiles.